WO2013079844A1 - Dispositif capteur de vibrations pour instruments de musique - Google Patents

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Ambroise Jean-Pierre PERIN
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Perin Ambroise Jean-Pierre
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    • G10H2220/505—Dual coil electrodynamic string transducer, e.g. for humbucking, to cancel out parasitic magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a vibration sensor device for musical instruments. It also relates to a sound generation system implementing the device.
  • the field of the invention is more particularly but in a non-limiting manner that of the sound of stringed musical instruments.
  • the sound of stringed musical instruments is generally performed by means of devices that directly measure the vibration of the strings.
  • devices based on an inductive measurement principle are placed near the ropes. They include a permanent magnet that generates a static magnetic field, and an inductance coil traversed by a magnetic flux due to the magnet. The magnetic field is disturbed by the presence of the metal cord, whose vibrations cause by electromagnetic induction, and / or variation of the magnetic circuit, flux variations in the inductor. The measurement of these flux variations is performed by measuring the induced voltage across the coil. It allows to obtain a measurement of the vibration of the rope used then to generate a sound.
  • An object of the present invention is to provide a sound collecting device, in particular for measuring the vibrations of musical instrument strings, which is capable of producing a metrologically accurate measurement of the vibration, in particular from the point of view of view of spectral content, dynamics and distortion.
  • Another object of the present invention is to provide a sound collecting device with a sensitivity adapted to different spatial modes of vibration of the strings.
  • Another object of the present invention is to propose a sound collection device that is easy to integrate on existing instruments, which is not very sensitive to environmental disturbances, and with a spatially confined measurement zone.
  • a sensor device for measuring a displacement and / or vibration of at least one object of interest, in particular for musical instruments which comprises:
  • excitation inductance coils electrically connected to at least one electrical excitation source and capable of generating magnetic excitation fluxes
  • At least one measurement inductance coil electrically connected to electrical measurement means able to measure induced electrical signals
  • a magnetic circuit magnetically connecting the excitation and measurement coils, and comprising a measurement zone in which the presence of objects of interest affects magnetic fluxes originating from excitation coils and passing through said coil (s) measuring, and
  • excitation coils arranged in such a way as to generate, in the absence of any object of interest in the measuring zone, magnetic fluxes which substantially compensate in the at least one measuring coil.
  • the measurement zone may comprise in particular an air gap, or a free space in the magnetic circuit.
  • the device according to the invention can comprise:
  • a measuring coil a first excitation coil strongly coupled to said measuring coil so that the flux generated by said first excitation coil in the measurement coil is not affected by the presence of an object in the measuring zone, and a second excitation coil more weakly coupled to said measuring coil so that the flux generated by said second excitation coil in the measuring coil is strongly affected by the presence of an object in the measuring area;
  • excitation and measurement coils each made in one of the following forms: a single winding, a plurality of partial windings distributed over the magnetic circuit.
  • the magnetic circuit may comprise a magnetic material, that is to say a material with a magnetic permeability greater than one, such as for example a ferromagnetic material or a ferrimagnetic material.
  • the magnetic circuit may comprise a portion consisting at least partially of magnetic material, of substantially U-shaped section with a base and two substantially parallel branches, the measuring zone extending substantially beyond and between the ends of said branches opposite said base.
  • the branches, or the branches and the base, may comprise a magnetic material.
  • the device according to the invention may further comprise:
  • a measuring coil wound around the base a first excitation coil wound around said base, and a second excitation coil with two partial windings wound respectively around the two branches so as to generate in the measuring zone. respectively a flow leaving one branch and a flow entering the other branch;
  • the magnetic circuit may comprise:
  • a part made at least partially of magnetic material of substantially E-shaped section with a base, a central branch and two substantially parallel lateral branches, the measurement zone extending substantially beyond and between the ends of said branches; opposite to said base,
  • the coils can be made according to a planar geometry, in particular with techniques for producing printed circuits.
  • the magnetic circuit may comprise:
  • a part made at least partially of magnetic material of substantially cylindrical shape and of substantially "E" -shaped diametrical section with a base, a central stud and an outer ring, the measurement zone extending substantially the opposite of said base,
  • a device for capturing the sounds of a string musical instrument which is adapted to be placed on said instrument for measuring the vibration of at least one string.
  • the device may include:
  • a substantially cylindrical magnetic circuit defining a measurement zone for measuring the vibration of a string of the instrument without being significantly affected by the vibration of adjacent strings;
  • a magnetic circuit of substantially elongated shape defining a measurement zone making it possible to measure the vibration of a plurality of strings of the instrument.
  • a sound generation system comprising a vibration measuring device according to the invention, and electronic and calculation means for generating sounds from the measured vibrations.
  • the sound generation system according to the invention can be configured so as to be able to generate sounds reproducing the sounds of a given microphone and / or the assembly of a certain instrument and microphone.
  • the invention makes it possible to make a number of innovations, particularly as regards its use for capturing instrument sounds.
  • FIG. 1 illustrates a stringed instrument in the form of an electric guitar equipped with devices according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a device profile view according to the invention
  • FIG. 3 (a) illustrates a first embodiment of winding mode in which the device according to the invention is substantially sensitive to vertical displacements as illustrated in FIG. 3 (b),
  • FIG. 4 (a) illustrates a second variant of winding mode in which the device according to the invention is substantially sensitive to horizontal displacements as illustrated in FIG. 4 (b),
  • FIG. 5 illustrates a device electrical diagram according to the invention
  • FIG. 6 illustrates a device embodiment according to the invention adapted to measuring the movement of a rope, with in FIG. 6 (a) the device of FIG. 6 (b) presented without shielding,
  • FIG. 7 illustrates a top view of the device according to the invention according to an embodiment adapted to the measurement of displacement of a plurality of ropes simultaneously.
  • the device according to the invention or sensor 2 is designed so as to be fixed on the body of a guitar 1, under the ropes 4. It can in particular be made so that it can be fixed on existing instruments 1 in locations provided for sound sensors of the prior art.
  • the instrument 1 comprises a connector 3 which makes it possible to connect the sensor or sensors 2 to an electronics and / or an external sound system.
  • the senor 2 comprises a magnetic circuit consisting essentially of an element 10 made of magnetic or ferromagnetic material such as ferrite.
  • This element 10 has a substantially U-shaped or "H" shaped profile, with a base 16 and substantially parallel branches 15 which rise substantially perpendicularly to this base.
  • the device further comprises inductance coils 11, 12, 13 made with an electrically conductive element such as copper wire wound around the ferromagnetic element 10, directly or on a support. These coils are connected together and / or to a control electronics by connecting wires 14. They comprise a measuring coil 13 wound around the base 16, and two excitation coils 11 and 12 respectively wound around the branches 15 and the base 16 of the magnetic circuit.
  • the excitation coils 11, 12 and measuring coils 13 are electromagnetically coupled by the magnetic circuit and in particular by the ferromagnetic element 10.
  • the excitation coils 11, 12 When the excitation coils 11, 12 are excited by an alternating signal, they generate magnetic fluxes of which at least part passes through the measuring coil, and generates a voltage induced at its terminals.
  • the structure of the magnetic circuit and the coils is designed so as to define a measurement zone 17 which extends substantially beyond the branches 15 of the magnetic circuit.
  • An electrically conductive object (such as an instrument string 4) present in this measurement zone 17 disrupts the magnetic flux passing through the measuring coil 13, which makes it possible to detect it.
  • This measurement zone 17 constitutes an air gap of the magnetic circuit, which makes it possible to confine it spatially. Indeed, the magnetic field lines present in the magnetic circuit are little influenced by objects in the vicinity of the ferromagnetic element 10, with the exception of the measurement zone 17. This confinement effect is important to limit the disturbances of the environment, facilitate the integration of the sensor 2 on an instrument 1, and limit the effects of crosstalk between neighboring ropes 4.
  • FIGS. 3 and 4 show two variants of embodiments of the windings which make it possible to produce sensors 2 that are essentially sensitive, respectively, to modes of vibration of the vertical ropes 4 (that is to say substantially parallel to the branches 15) or horizontal (that is to say substantially parallel to the base 16).
  • the senor 1 comprises: a measuring coil 13 R placed around the base 16 of the magnetic circuit 10,
  • an excitation coil 11 El consisting of two partial coils 11a, 11b respectively placed around the branches 15 of the magnetic circuit 10.
  • the excitation coils 11a, 11b and 12 are connected in series and connected to an alternating excitation source Ve.
  • the excitation coil 12 is strongly coupled to the measuring coil
  • the measuring coil 13 in the sense that most of the magnetic flux 31 that it generates also passes through the measuring coil 13.
  • the flux 31 generated by the excitation coil 12 and coupled in the measuring coil 13 is not or little affected by the presence of an object 4 in the measuring zone 17.
  • the two partial coils 11a and 11b are wound in opposite directions, so as to respectively generate a flux 30 exiting in the measuring zone 17 (for example at the level of the coil 11b) and a stream 30 entering the branch 15 ( for example at the level of the coil l ia).
  • the excitation coils 11a, 11b and 12 are wound so that their respective flows 30, 31 through the measuring coil 13 are in phase opposition.
  • their inductances are adjusted so that, taking into account the coupling, the resulting flux in the measuring coil 13 is almost zero, that is to say that the fluxes 30, 31 compensate for themselves at least partially at level of the measuring coil 13.
  • the excitation coil 11a, 11b Since the excitation coil 11a, 11b is less well coupled to the measuring coil 13 than the excitation coil 12 (or has larger leakage fluxes), it comprises a greater total number of turns.
  • this arrangement makes it possible to measure the movement 32 of an object 4 along the vertical axis Oz (substantially parallel to the branches 15) independently of the variations of position of this same object 4 in the plane on the perpendicular axes Ox and Oy.
  • the magnetic fields generated by the excitation coils 11 and 12 are in phase opposition and compensate at least partially through the measuring coil 13 in the absence of object 4.
  • only the field of the coil 11 is significantly modified by the presence of the object 4.
  • the magnetic fields generated by the partial excitation coils 11a, 11b of the coil 11 compensate each other when the object 4 describes a movement along the axis Ox and therefore do not give rise to a variation of the measured voltage Vs in the measuring coil 13.
  • the sensor 1 comprises:
  • the excitation coils 42 and 43 are connected in series and connected to an alternative excitation source Ve.
  • the excitation frequency may be of the order of 1 MHz.
  • the two excitation coils 42, 43 are coupled substantially identically to the measuring coil 13.
  • the two excitation coils 42, 43 are wound in opposite directions, so as to generate in the measurement zone 17 flows 40, 41 of opposite orientation.
  • the excitation coils 42, 43 are wound so that their respective fluxes 40, 41 through the measuring coil 13 are also in phase opposition, and that the resulting flux in the measuring coil 13 is close to zero. i.e., the fluxes 40, 41 compensate each other at least partially at the level of the measuring coil 13. As illustrated in FIG. 4b, this arrangement makes it possible to measure the movement 44 of an object 4 along the horizontal axis Ox (substantially parallel to the base 16) independently of the variations of position of this same object 4 along the perpendicular axes Oz and Oy.
  • the magnetic fields generated by the excitation coils 42 and 43 compensate each other when the object of interest 4 describes a movement along the vertical axis Oz and does not give rise to a variation of the voltage Vs in the measuring coil 13.
  • the object 4 is substantially centered with respect to the two excitation coils 42, 43 and that its movement 44 is smaller than the distance separating the center of the excitation coils 42 and 43. Indeed, the rejection the movement of the object 4 along the axis Oz is even greater when the object 4 is centered between the excitation coils 42 and 43.
  • the target 4 such as an instrument chord
  • the target 4 is of a dimension considered as infinite along the axis Oy with respect to the dimensions of the sensor 1, no measurement is made on this axis. .
  • Figure 5 shows a chain of acquisition and processing of measurement signals.
  • excitation part which comprises an oscillator 52 and an amplifier 53, for generating a high frequency excitation signal Ve, of the order of 1 MHz.
  • the amplifier 53 supplies excitation coils 50, 51 connected in series and arranged in particular according to the embodiments of FIGS. 3 and 4.
  • the processing chain comprises an amplifier 54, a rectifier 55 and a low-pass filter 56. It makes it possible to straighten and filter the induced voltage Vr measured across the measuring coil 13 to extract the envelope, representative of the vibration of the object 4.
  • the demodulated signal can then be processed by sound systems, digital or analog sound generation or synthesis.
  • the number of turns of the measuring coil 13 is maximized to obtain a maximum voltage Vs and a bandwidth covering at least the audible spectrum (up to 20 kHz).
  • the senor is more sensitive when the voltage Vs in the absence of object 4 is not equal to zero but rather to a low value corresponding to the case where the contribution of E2 in R and greater than that of El in R.
  • the senor 2 can be made in a substantially cylindrical shape with a diameter of the order of 5 mm.
  • the configuration of the excitation coils 11, 12 may be according to the embodiment of FIG. 3 or that of FIG. 4.
  • the sensor 1 is further provided with a shield 60 on its periphery which improves its immunity to disturbances, and the confinement of the measurement zone 17.
  • This embodiment makes it possible to equip an instrument 1 with sensors 2 so that each sensor 2 only measures the vibration of an individual rope 4.
  • the senor 2 can be made in a substantially elongated form, so as to have a measurement zone 17 capable of including several ropes 4 (or all the ropes 4) of an instrument 1.
  • FIG. 7 shows a view from above of a sensor 2 with a base 16 and two branches 15, a profile view of which corresponds to FIG. 2.
  • the configuration of the excitation coils 11, 12 is that of the embodiment of FIG.
  • the sensor 2 is sensitive to the vertical movement 32 along the axis Oz of the ropes 4, including when the ropes extend in the direction of the branches 15 along the axis Oy.
  • This embodiment makes it possible to equip an instrument 1 with a single, simple sensor, which provides a signal Vs representative of all the vibrations of the ropes 4 which pass through the measurement zone 17.
  • Excitation coils can be connected to the electronics in all possible ways, especially in series, in parallel, or powered by different excitation sources;
  • the demodulation of the signal representative of the vibration can be carried out by digital means, after a direct acquisition of the signal Vr. It can also be performed by a synchronous demodulator.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif capteur (2) pour mesurer un déplacement et/ou une vibration d'au moins un objet d'intérêt, notamment pour instruments de musique, qui comprend (i) au moins deux bobines d'inductance d'excitation (11, 12) électriquement reliées à au moins une source électrique d'excitation, et aptes à générer des flux magnétiques d'excitation, et (ii) au moins une bobine d'inductance de mesure (13), électriquement reliée à des moyens électriques de mesure aptes à mesurer des signaux électriques induits, (iii) un circuit magnétique (10) reliant magnétiquement les bobines d'excitation (11, 12) et de mesure (13), et comprenant une zone de mesure (17) dans laquelle la présence d'objets d'intérêt affecte des flux magnétiques issus de bobines d'excitation (11, 12) et traversant ladite ou lesdites bobine(s) de mesure (13), et (iv) des bobines d'excitation (11, 12) disposées de telle sorte à générer, en l'absence d'objet d'intérêt dans la zone de mesure (17), des flux magnétiques qui se compensent sensiblement dans l'au moins une bobine de mesure (13). L'invention concerne aussi un système de sonorisation mettant en œuvre le dispositif.

Description

« Dispositif capteur de vibrations pour instruments de musique »
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif capteur de vibrations pour instruments de musique. Elle concerne aussi un système de génération de sons mettant en œuvre le dispositif.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui de la sonorisation d'instruments de musiques à cordes.
Etat de la technique antérieure
La sonorisation d'instruments de musique à cordes, tels que des guitares électriques ou des violons, est effectuée en général au moyen de dispositifs qui permettent de mesurer directement la vibration des cordes.
Il existe en particulier des dispositifs basés sur un principe de mesure inductive. Ces dispositifs sont placés à proximité des cordes. Ils comprennent un aimant permanent qui génère un champ magnétique statique, et une bobine d'inductance traversée par un flux magnétique dû à l'aimant. Le champ magnétique est perturbé par la présence de la corde métallique, dont les vibrations provoquent par induction électromagnétique, et/ou variation du circuit magnétique, des variations de flux dans la bobine d'inductance. La mesure de ces variations de flux est effectuée en mesurant la tension induite aux bornes de la bobine. Elle permet d'obtenir une mesure de la vibration de la corde utilisée ensuite pour générer un son.
Ces dispositifs présentent un certain nombre d'inconvénients :
- Leur fonction de transfert présente en général un comportement fréquentiel de circuit résonnant avec une bande passante étroite et des non linéarités importantes. Cela affecte fortement la reproduction du son, et crée de la distorsion ;
- Ils présentent également des problèmes de diaphonie ou de couplage entre cordes voisines de l'instrument, qui sont également sources de bruits et de distorsion. Ces problèmes proviennent en particulier de couplages magnétiques parasites entre les circuits magnétiques de chaque corde, et de la sensibilité de ces dispositifs aux perturbations de l'environnement. On connaît de nombreuses réalisations de tels dispositifs de sonorisation, avec des géométries de circuit magnétique et des structures de bobines variées.
On connaît par exemple le document US 5,789,691, qui décrit un dispositif de collecte de son basé sur un aimant permanent, qui comprend un circuit magnétique avec un plot ferromagnétique en face de chaque corde, et des bobines de détection qui englobent l'ensemble des circuits magnétiques de toutes les cordes. Cela permet de réaliser des systèmes à bas coût plus faciles à interfacer.
On connaît également le document US 7,989,690 de Lawing, qui décrit un dispositif de collecte de son dans lequel la mesure de vibration de chaque corde est effectuée au moyen d'une bobine particulière de forme adaptée, dans le but d'améliorer le comportement en bruit et en distorsion.
De manière générale, les dispositifs existants de collecte de son pour instruments à cordes, du fait de leurs imperfections sur le plan métrologique, ont un effet non négligeable sur le son produit et fournissent une information appauvrie sur les modes de vibration des cordes. Ces inconvénients sont particulièrement gênants pour l'exploitation des mesures de vibration de cordes dans des systèmes électroniques de génération de son, où l'on recherche avant tout une information fidèle et complète.
Un objet de la présente invention est de proposer un dispositif de collecte de son, en particulier pour mesurer les vibrations de cordes d'instruments de musique, qui soit apte à produire une mesure de la vibration fidèle sur le plan métrologique, notamment du point de vue du contenu spectral, de la dynamique et de la distorsion.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif de collecte de son avec une sensibilité adaptée aux différents modes spatiaux de vibration des cordes.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif de collecte de son facile à intégrer sur des instruments existants, peu sensible aux perturbations de l'environnement, et avec une zone de mesure confinée spatialement.
Exposé de l'invention Cet objectif est atteint avec un dispositif capteur pour mesurer un déplacement et/ou une vibration d'au moins un objet d'intérêt, notamment pour instruments de musique, qui comprend :
- au moins deux bobines d'inductance d'excitation électriquement reliées à au moins une source électrique d'excitation, et aptes à générer des flux magnétiques d'excitation, et
- au moins une bobine d'inductance de mesure, électriquement reliée à des moyens électriques de mesure aptes à mesurer des signaux électriques induits,
caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un circuit magnétique reliant magnétiquement les bobines d'excitation et de mesure, et comprenant une zone de mesure dans laquelle la présence d'objets d'intérêt affecte des flux magnétiques issus de bobines d'excitation et traversant ladite ou lesdites bobine(s) de mesure, et
- des bobines d'excitation disposées de telle sorte à générer, en l'absence d'objet d'intérêt dans la zone de mesure, des flux magnétiques qui se compensent sensiblement dans l'au moins une bobine de mesure.
La zone de mesure peut comprendre notamment un entrefer, ou un espace libre dans le circuit magnétique.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre :
- une bobine de mesure, une première bobine d'excitation fortement couplée à ladite bobine de mesure de telle sorte que le flux généré par ladite première bobine d'excitation dans la bobine de mesure soit peu affecté par la présence d'un objet dans la zone de mesure, et une seconde bobine d'excitation plus faiblement couplée à ladite bobine de mesure de telle sorte que le flux généré par ladite seconde bobine d'excitation dans la bobine de mesure soit fortement affecté par la présence d'un objet dans la zone de mesure ;
- une bobine de mesure et deux bobines d'excitation couplées à ladite bobine de mesure de telle sorte que le flux généré par lesdites bobines d'excitation dans la bobine de mesure soit affecté de manière sensiblement identique par la présence d'un objet dans la zone de mesure ; - des bobines d'excitation et de mesure réalisées, chacune, selon l'une des formes suivantes : un bobinage unique, une pluralité de bobinages partiels répartis sur le circuit magnétique.
Suivant des modes de réalisation, le circuit magnétique peut comprendre un matériau magnétique, c'est-à-dire un matériau avec une perméabilité magnétique supérieure à un, tel que par exemple un matériau ferromagnétique ou un matériau ferrimagnétique.
Suivant des modes de réalisation, le circuit magnétique peut comprendre une partie constituée au moins partiellement de matériau magnétique, de section sensiblement en forme de « U » avec une base et deux branches sensiblement parallèles, la zone de mesure s'étendant sensiblement au delà et entre les extrémités desdites branches à l'opposé de ladite base.
Les branches, ou les branches et la base, peuvent comprendre un matériau magnétique.
Le dispositif selon l'invention peut en outre comprendre :
- une bobine de mesure bobinée autour de la base, une première bobine d'excitation bobinée autour de ladite base, et une seconde bobine d'excitation avec deux bobinages partiels bobinés respectivement autour des deux branches de telle sorte à générer dans la zone de mesure respectivement un flux sortant d'une branche et un flux entrant dans l'autre branche ;
- une bobine de mesure bobinée autour de la base, et deux bobines d'excitation bobinées respectivement autour des deux branches de telle sorte à générer dans la zone de mesure des flux sortant desdites branches ;
- une bobine de mesure bobinée autour d'une branche, et deux bobines d'excitation bobinées respectivement autour des deux branches de telle sorte à générer dans la zone de mesure des flux sortant desdites branches.
Suivant d'autres modes de réalisation, le circuit magnétique peut comprendre :
- une partie constituée au moins partiellement de matériau magnétique, de section sensiblement en forme de « E » avec une base, une branche centrale et deux branches latérales sensiblement parallèles, la zone de mesure s'étendant sensiblement au delà et entre les extrémités desdites branches à l'opposé de ladite base,
- une bobine de mesure bobinée autour de ladite branche centrale, - une première bobine d'excitation bobinée autour de ladite branche centrale, et
- une seconde bobine d'excitation avec deux bobinages partiels bobinés respectivement autour des deux branches latérales.
Les bobines peuvent être réalisées suivant une géométrie planaire, en particulier avec des techniques de réalisation de circuits imprimés.
Suivant encore d'autres modes de réalisation, le circuit magnétique peut comprendre :
- une partie constituée au moins partiellement de matériau magnétique, de forme sensiblement cylindrique et de section diamétrale sensiblement en forme de « E » avec une base, un plot central et une couronne externe, la zone de mesure s'étendant sensiblement à l'opposé de ladite base,
- une bobine de mesure bobinée autour dudit plot central,
- une première bobine d'excitation bobinée autour dudit plot central, et - une seconde bobine d'excitation bobinée autour de ladite couronne externe.
Il est également proposé un dispositif pour capter les sons d'un instrument de musique à cordes, qui est apte à être placé sur ledit instrument pour mesurer la vibration d'au moins une corde.
Le dispositif peut comprendre :
- un circuit magnétique sensiblement en forme de cylindre définissant une zone de mesure permettant de mesurer la vibration d'une corde de l'instrument sans être notablement affecté par la vibration de cordes voisines ;
- un circuit magnétique de forme sensiblement allongée, définissant une zone de mesure permettant de mesurer la vibration d'une pluralité de cordes de l'instrument.
Il est également proposé un dispositif selon l'invention pour capter les vibrations d'un objet d'intérêt de l'une des formes suivantes :
- un élément ou une paroi d'un instrument de musique,
- une membrane sensible à une vibration acoustique.
Suivant un autre aspect, il est proposé un système de génération de sons comprenant un dispositif de mesure de vibrations selon l'invention, et des moyens électroniques et de calcul pour générer des sons à partir des vibrations mesurées. Le système de génération de sons selon l'invention peut être configuré de telle sorte à pouvoir générer des sons reproduisant les sonorités d'un microphone déterminé et/ou de l'assemblage d'un instrument et d'un microphone déterminés.
Ainsi, l'invention permet d'apporter un certain nombre d'innovations, notamment en ce qui concerne son utilisation pour capter les sons d'instruments. Il devient en particulier possible :
- de capter toutes les informations issues des vibrations des cordes de manière linéaire, et notamment les fréquences extrêmes du spectre audible (infra basses, basses et aiguës) ;
- de reproduire par un filtrage électronique associé les sonorités de microphones de l'art antérieur dont les réponses fréquentielles sont celles d'un circuit RLC (résistance, inductance, capacité) résonnant dans le spectre audible ;
- d'avoir une dynamique plus importante que les systèmes de l'art antérieur, et donc un rapport signal sur bruit plus performant ;
- de faire une transduction à haute fidélité des vibrations des cordes d'instruments ;
- d'obtenir davantage de sonorités grâce à la possibilité d'exploiter des informations non captées par les microphones de l'art antérieur.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 illustre un instrument à cordes sous la forme d'une guitare électrique équipée de dispositifs selon l'invention,
- la figure 2 illustre une vue de profil de dispositif selon l'invention,
- la figure 3(a) illustre une première variante de mode de bobinage dans laquelle le dispositif selon l'invention est sensible essentiellement à des déplacements verticaux comme illustré à la figure 3(b),
- la figure 4(a) illustre une seconde variante de mode de bobinage dans lequel le dispositif selon l'invention est sensible essentiellement à des déplacements horizontaux comme illustré à la figure 4(b),
- la figure 5 illustre un schéma électrique de dispositif selon l'invention, - la figure 6 illustre un mode de réalisation de dispositif selon l'invention adapté à la mesure de déplacement d'une corde, avec à la figure 6(a) le dispositif de la figure 6(b) présenté sans blindage,
- la figure 7 illustre une vue de dessus de dispositif selon l'invention selon un mode de réalisation adapté à la mesure de déplacement d'une pluralité de cordes simultanément.
En référence à la figure 1, on va décrire des modes de réalisation, nullement limitatifs, de dispositifs de collecte de son selon l'invention pour mesurer la vibration des cordes d'un instrument de musique tel qu'une guitare.
Le dispositif selon l'invention ou capteur 2 est conçu de telle sorte à pouvoir être fixé sur le corps d'une guitare 1, sous les cordes 4. Il peut en particulier être réalisé de telle sorte à pouvoir être fixé sur des instruments 1 existants, dans des emplacements prévus pour des capteurs de son de l'art antérieur.
De manière classique, l'instrument 1 comprend un connecteur 3 qui permet de relier le ou les capteurs 2 à une électronique et/ou un système de sonorisation externe.
En référence à la figure 2, le capteur 2 comprend un circuit magnétique essentiellement constitué d'un élément 10 en matériau magnétique ou ferromagnétique tel que de la ferrite. Cet élément 10 a un profil sensiblement en forme de « U » ou de « H », avec une base 16 et des branches 15 sensiblement parallèles qui s'élèvent de manière sensiblement perpendiculaire à cette base.
Le dispositif comprend en outre des bobines d'inductance 11, 12, 13 réalisées avec un élément conducteur à l'électricité tel que du fil de cuivre bobiné autour de l'élément ferromagnétique 10, directement ou sur un support. Ces bobines sont reliées entre elles et/ou à une électronique de contrôle par des fils de liaison 14. Elles comprennent une bobine de mesure 13 bobinée autour de la base 16, et deux bobines d'excitation 11, et 12 bobinées respectivement autour des branches 15 et de la base 16 du circuit magnétique.
Les bobines d'excitation 11, 12 et de mesure 13 sont couplées de manière électromagnétique par le circuit magnétique et en particulier par l'élément ferromagnétique 10. Lorsque les bobines d'excitation 11, 12 sont excitées par un signal alternatif, elles génèrent des flux magnétiques dont une partie au moins traverse la bobine de mesure, et génère une tension induite à ses bornes.
La structure du circuit magnétique et des bobinages est conçue de telle sorte à définir une zone de mesure 17 qui s'étend sensiblement au-delà des branches 15 du circuit magnétique. Un objet conducteur à l'électricité (telle qu'une corde d'instrument 4) présent dans cette zone de mesure 17 perturbe les flux magnétiques traversant la bobine de mesure 13, ce qui permet de le détecter.
Cette zone de mesure 17 constitue un entrefer du circuit magnétique, ce qui permet de la confiner spatialement. En effet, les lignes de champ magnétique présentes dans le circuit magnétique sont peu influencées par des objets à proximité de l'élément ferromagnétique 10, à l'exception de la zone de mesure 17. Cet effet de confinement est important pour limiter les perturbations de l'environnement, faciliter l'intégration du capteur 2 sur un instrument 1, et limiter les effets de diaphonie entre cordes 4 voisines.
Il est à noter que le fait de mettre en œuvre un circuit magnétique avec (au moins) deux branches 15 améliore sensiblement le confinement de la zone de mesure 17 par rapport aux dispositifs de l'art antérieur dans lesquels le circuit magnétique est en général constitué d'un plot unique à proximité de la corde 4.
Les figures 3 et 4 présentent deux variantes de modes de réalisation des bobinages qui permettent de réaliser des capteurs 2 essentiellement sensibles, respectivement, à des modes de vibration des cordes 4 verticaux (c'est-à-dire sensiblement parallèles aux branches 15) ou horizontaux (c'est- à-dire sensiblement parallèles à la base 16).
C'est un avantage de l'invention de pouvoir mesurer de manière distincte des modes de vibrations horizontaux et verticaux des cordes 4. Cela permet de fournir une information plus riche et/ou mieux définie à des systèmes de génération de sons. On peut soit privilégier la mesure de l'un ou l'autre mode en montant un capteur 2 adéquat sur un instrument 1, soit mesurer simultanément les deux modes, par exemple en montant deux capteurs 2 sur l'instrument 1.
Dans la variante présentée à la figure 3a, le capteur 1 comprend : - une bobine de mesure 13 R placée autour de la base 16 du circuit magnétique 10,
- une bobine d'excitation 12 E2 placée autour de la base 16 du circuit magnétique 10, et
- une bobine d'excitation 11 El, constituée de deux bobines partielles l ia, 11b respectivement placées autour des branches 15 du circuit magnétique 10.
Les bobines d'excitation l ia, 11b et 12 sont reliées en série et connectées à une source d'excitation Ve alternative.
La bobine d'excitation 12 est fortement couplée à la bobine de mesure
13 dans le sens où l'essentiel du flux magnétique 31 qu'elle génère traverse également la bobine de mesure 13. En outre, le flux 31 généré par la bobine d'excitation 12 et couplé dans la bobine de mesure 13 est pas ou peu affecté par la présence d'un objet 4 dans la zone de mesure 17.
Les deux bobines partielles l ia et 11b sont bobinées en sens opposé, de telle sorte à générer respectivement un flux 30 sortant dans la zone de mesure 17 (par exemple au niveau de la bobine 11b) et un flux 30 entrant dans la branche 15 (par exemple au niveau de la bobine l ia) .
Ces bobines l ia, 11b étant placées de part et d'autre de la zone de mesure 17, elles génèrent un flux 30 qui est fortement affecté par la présence d'un objet 4 dans la zone de mesure 17.
Les bobines d'excitation l ia, 11b et 12 sont bobinées de telle sorte que leurs flux respectifs 30, 31 au travers de la bobine de mesure 13 soient en opposition de phase. En outre, leurs inductances sont ajustées de telle sorte que, en tenant compte du couplage, le flux résultant dans la bobine de mesure 13 soit presque nul, c'est-à-dire que les flux 30, 31 se compensent au moins partiellement au niveau de la bobine de mesure 13.
Dans la mesure où la bobine d'excitation l ia, 11b est moins bien couplée à la bobine de mesure 13 que la bobine d'excitation 12 (ou présente des flux de fuite plus importants), elle comprend un nombre total de spires supérieur.
Comme illustré à la figure 3b, ce montage permet de mesurer le mouvement 32 d'un objet 4 selon l'axe vertical Oz (sensiblement parallèle aux branches 15) indépendamment des variations de position de ce même objet 4 dans le plan sur les axes perpendiculaires Ox et Oy. En effet, les champs magnétiques générés par les bobines d'excitation 11 et 12 sont en opposition de phase et se compensent au moins partiellement au travers de la bobine de mesure 13 en l'absence d'objet 4. En outre, seul le champ de la bobine 11 est notablement modifié par la présence de l'objet 4.
Les champs magnétiques générés par les bobines d'excitation partielle lia, 11b de la bobine 11 se compensent mutuellement lorsque l'objet 4 décrit un mouvement selon l'axe Ox et ne donnent donc pas lieu à une variation de la tension mesurée Vs dans la bobine de mesure 13.
En outre, dans la mesure où la cible 4 telle qu'une corde d'instrument est d'une dimension considérée comme infinie selon l'axe Oy par rapport aux dimensions du capteur 1, aucune mesure n'est effectuée sur cet axe.
Dans la variante présentée à la figure 4a, le capteur 1 comprend :
- une bobine de mesure 13 R placée autour de la base 16 du circuit magnétique 10,
- une bobine d'excitation 42 El placée autour d'une branche 15 du circuit magnétique 10, et
- une bobine d'excitation 43 E2 placée autour de l'autre branche 15 du circuit magnétique 10.
Les bobines d'excitation 42 et 43 sont reliées en série et connectées à une source d'excitation Ve alternative. La fréquence d'excitation peut être de l'ordre de 1 MHz.
Les deux bobines d'excitation 42, 43 sont couplées de manière sensiblement identique avec la bobine de mesure 13.
Les deux bobines d'excitation 42, 43 sont bobinées en sens opposé, de telle sorte à générer dans la zone de mesure 17 des flux 40, 41 d'orientation opposée.
Ces bobines d'excitation 42, 43 étant placées de part et d'autre de la zone de mesure 17, les flux 40, 41 qu'elles génèrent sont fortement affectés par la présence d'un objet 4 dans la zone de mesure 17.
Les bobines d'excitation 42, 43 sont bobinées de telle sorte que leurs flux respectifs 40, 41 au travers de la bobine de mesure 13 soient également en opposition de phase, et que le flux résultant dans la bobine de mesure 13 soit proche de zéro, c'est-à-dire que les flux 40, 41 se compensent au moins partiellement au niveau de la bobine de mesure 13. Comme illustré à la figure 4b, ce montage permet de mesurer le mouvement 44 d'un objet 4 selon l'axe horizontal Ox (sensiblement parallèle à la base 16) indépendamment des variations de position de ce même objet 4 selon les axes perpendiculaires Oz et Oy.
En effet, les champs magnétiques générés par les bobines d'excitation
42 et 43 sont en opposition de phase et se compensent au moins partiellement au travers de la bobine de mesure 13 en l'absence d'objet 4. En outre, les champs magnétiques générés respectivement par la bobine d'excitation 42 et par la bobine d'excitation 43 sont tous deux modifiés par la présence de l'objet 4.
Les champs magnétiques générés par les bobines d'excitation 42 et 43 se compensent mutuellement lorsque l'objet d'intérêt 4 décrit un mouvement selon l'axe vertical Oz et ne donnent pas lieu à une variation de la tension Vs dans la bobine de mesure 13.
II est nécessaire que l'objet 4 soit sensiblement centré par rapport aux deux bobines d'excitation 42, 43 et que son mouvement 44 soit plus petit que la distance séparant le centre des bobines d'excitation 42 et 43. En effet, la réjection du mouvement de l'objet 4 selon l'axe Oz est d'autant plus grande lorsque l'objet 4 est centré entre les bobines d'excitation 42 et 43.
En outre, dans la mesure où la cible 4, telle qu'une corde d'instrument, est d'une dimension considérée comme infinie selon l'axe Oy par rapport aux dimensions du capteur 1, aucune mesure n'est effectuée sur cet axe.
La figure 5 présente une chaîne d'acquisition et de traitement des signaux de mesure.
Elle comprend une partie d'excitation, qui comprend un oscillateur 52 et un amplificateur 53, pour générer un signal d'excitation Ve à hautes fréquences, de l'ordre de 1 MHz.
L'amplificateur 53 alimente des bobines d'excitation 50, 51 connectées en série et agencées notamment selon les modes de réalisations des figures 3 et 4.
La chaîne de traitement comprend un amplificateur 54, un redresseur 55 et un filtre passe-bas 56. Elle permet de redresser et filtrer la tension induite Vr mesurée aux bornes de la bobine de mesure 13 pour en extraire l'enveloppe, représentative de la vibration de l'objet 4. Le signal démodulé peut ensuite être traité par des systèmes de sonorisation, de génération ou de synthèse de sons, numériques ou analogiques.
Le nombre de spires de la bobine de mesure 13 est maximisé pour obtenir une tension Vs maximale et une bande passante couvrant au moins le spectre audible (jusqu'à 20kHz).
Il a été démontré, notamment dans le mode de réalisation de la figure 3, que le capteur est plus sensible lorsque la tension Vs en l'absence d'objet 4 n'est pas égale à zéro mais plutôt à une valeur faible qui correspond au cas où la contribution de E2 dans R et plus grande que celle de El dans R.
Il est ainsi possible d'obtenir un signal électrique représentatif des mouvements d'un objet 4 tel qu'une corde d'instrument de musique :
- suivant une ou des directions déterminées,
- de manière linéaire, et
- sur toute une bande de fréquence allant du continu à plusieurs dizaines de kHz.
En référence à la figure 6, le capteur 2 peut être réalisé sous une forme sensiblement cylindrique, avec un diamètre de l'ordre de 5 mm. La configuration des bobines d'excitation 11, 12 peut être selon le mode de réalisation de la figure 3 ou celui de la figure 4. Le capteur 1 est en outre pourvu d'un blindage 60 sur son pourtour qui améliore son immunité aux perturbations, et le confinement de la zone de mesure 17.
Ce mode de réalisation permet d'équiper un instrument 1 avec des capteurs 2 de telle sorte que chaque capteur 2 ne mesure que la vibration d'une corde 4 individuelle.
En référence à la figure 7, le capteur 2 peut être réalisé sous une forme sensiblement allongée, de telle sorte à présenter une zone de mesure 17 apte à englober plusieurs cordes 4 (ou toutes les cordes 4) d'un instrument 1.
La figure 7 présente une vue de dessus d'un capteur 2 avec une base 16 et deux branches 15, dont une vue de profil correspond à le figure 2.
La configuration des bobines d'excitation 11, 12 est celle du mode de réalisation de la figure 3.
Ainsi le capteur 2 est sensible au déplacement vertical 32 selon l'axe Oz des cordes 4, y compris lorsque les cordes s'étendent dans la direction des branches 15 selon l'axe Oy. Ce mode de réalisation permet d'équiper un instrument 1 avec un capteur unique, simple, qui fournit un signal Vs représentatif de l'ensemble des vibrations des cordes 4 qui traversent la zone de mesure 17.
Suivant des variantes,
- Les bobines d'excitation peuvent être reliées à l'électronique de toutes les façons possibles, notamment en série, en parallèle, ou alimentées par des sources d'excitations différentes ;
- La démodulation du signal représentatif de la vibration peut être effectuée par des moyens numériques, après une acquisition directe du signal Vr. Elle peut également être effectuée par un démodulateur synchrone.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif capteur (2) pour mesurer un déplacement et/ou une vibration (32, 44) d'au moins un objet d'intérêt (4), notamment pour instruments de musique, qui comprend :
- au moins deux bobines d'inductance d'excitation (11, lia, 11b, 42, 43, 50, 51) électriquement reliées à au moins une source électrique d'excitation (52), et aptes à générer des flux magnétiques d'excitation (30, 31, 40, 41), et - au moins une bobine d'inductance de mesure (13), électriquement reliée à des moyens électriques de mesure (54, 55, 56) aptes à mesurer des signaux électriques induits (Vs),
caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un circuit magnétique (10) reliant magnétiquement les bobines d'excitation (11, lia, 11b, 42, 43, 50, 51) et de mesure (13), et comprenant une zone de mesure (17) dans laquelle la présence d'objets d'intérêt (4) affecte des flux magnétiques (30, 31, 40, 41) issus de bobines d'excitation (11, lia, 11b, 42, 43, 50, 51) et traversant ladite ou lesdites bobine(s) de mesure (13), et
- des bobines d'excitation (11, lia, 11b, 42, 43, 50, 51) disposées de telle sorte à générer, en l'absence d'objet d'intérêt (4) dans la zone de mesure (17), des flux magnétiques (30, 31, 40, 41) qui se compensent sensiblement dans l'au moins une bobine de mesure (13).
2. Le dispositif de la revendication 1, qui comprend une bobine de mesure (13), une première bobine d'excitation (12) fortement couplée à ladite bobine de mesure (13) de telle sorte que le flux (31) généré par ladite première bobine d'excitation (12) dans la bobine de mesure (13) soit peu affecté par la présence d'un objet (4) dans la zone de mesure (17), et une seconde bobine d'excitation (11, lia, 11b) plus faiblement couplée à ladite bobine de mesure (13) de telle sorte que le flux (30) généré par ladite seconde bobine d'excitation (11, lia, 11b) dans la bobine de mesure (13) soit fortement affecté par la présence d'un objet (4) dans la zone de mesure (17).
3. Le dispositif de la revendication 1, qui comprend une bobine de mesure (13) et deux bobines d'excitation (42, 43) couplées à ladite bobine de mesure (13) de telle sorte que le flux (40, 41) généré par lesdites bobines d'excitation (42, 43) dans la bobine de mesure (13) soit affecté de manière sensiblement identique par la présence d'un objet (4) dans la zone de mesure (17).
4. Le dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comprend des bobines d'excitation (11, lia, 11b, 42, 43, 50, 51) et de mesure (13) réalisées, chacune, selon l'une des formes suivantes : un bobinage unique, une pluralité de bobinages partiels répartis sur le circuit magnétique.
5. Le dispositif de l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit magnétique (10) comprend une partie constituée au moins partiellement de matériau magnétique, de section sensiblement en forme de « U » avec une base (16) et deux branches (15) sensiblement parallèles, la zone de mesure (17) s'étendant sensiblement au delà et entre les extrémités desdites branches (15) à l'opposé de ladite base (16).
6. Le dispositif de la revendication 5, qui comprend une bobine de mesure (13) bobinée autour de la base (16), une première bobine d'excitation (12) bobinée autour de ladite base (16), et une seconde bobine d'excitation (11) avec deux bobinages partiels (lia, 11b) bobinés respectivement autour des deux branches (15) de telle sorte à générer dans la zone de mesure (17) respectivement un flux (30) sortant d'une branche (15) et un flux (30) entrant dans l'autre branche (15).
7. Le dispositif de la revendication 5, qui comprend une bobine de mesure bobinée autour de la base, et deux bobines d'excitation bobinées respectivement autour des deux branches de telle sorte à générer dans la zone de mesure des flux sortant desdites branches.
8. Le dispositif de la revendication 5, qui comprend une bobine de mesure (13) bobinée autour d'une branche (15), et deux bobines d'excitation (50, 51) bobinées respectivement autour des deux branches (15) de telle sorte à générer dans la zone de mesure (17) des flux sortant desdites branches (15).
9. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit magnétique (10) comprend :
- une partie constituée au moins partiellement de matériau magnétique, de section sensiblement en forme de « E » avec une base (16), une branche centrale et deux branches latérales (15) sensiblement parallèles, la zone de mesure (17) s'étendant sensiblement au delà et entre les extrémités desdites branches (15) à l'opposé de ladite base (16),
- une bobine de mesure (13) bobinée autour de ladite branche centrale,
- une première bobine d'excitation bobinée (50) autour de ladite branche centrale, et
- une seconde bobine d'excitation (51) avec deux bobinages partiels bobinés respectivement autour des deux branches latérales (15).
10. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit magnétique comprend :
- une partie constituée au moins partiellement de matériau magnétique, de forme sensiblement cylindrique et de section diamétrale sensiblement en forme de « E » avec une base, un plot central et une couronne externe, la zone de mesure s'étendant sensiblement à l'opposé de ladite base,
- une bobine de mesure bobinée autour dudit plot central,
- une première bobine d'excitation bobinée autour dudit plot central, et - une seconde bobine d'excitation bobinée autour de ladite couronne externe.
11. Un dispositif (2) selon l'une quelconque des revendications 5 à 9 pour capter les sons d'un instrument de musique (1) à cordes, qui est apte à être placé sur ledit instrument (1) pour mesurer la vibration d'au moins une corde (4).
12. Le dispositif selon la revendication 11, qui comprend un circuit magnétique (10) sensiblement en forme de cylindre définissant une zone de mesure (17) permettant de mesurer la vibration d'une corde (4) de l'instrument ( 1) sans être notablement affecté par la vibration de cordes (4) voisines.
13. Le dispositif selon la revendication 11, qui comprend un circuit magnétique ( 10) de forme sensiblement allongée, définissant une zone de mesure ( 17) permettant de mesurer la vibration d'une pluralité de cordes (4) de l'instrument ( 1) .
14. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 pour capter les vibrations d'un objet d'intérêt de l'une des formes suivantes :
- un élément ou une paroi d'un instrument de musique,
- une membrane sensible à une vibration acoustique.
15. Un système de génération de sons comprenant un dispositif de mesure de vibrations (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et des moyens électroniques et de calcul pour générer des sons à partir des vibrations mesurées.
16. Le système de génération de sons de la revendication 15, configuré de telle sorte à pouvoir générer des sons reproduisant les sonorités d'un microphone déterminé et/ou de l'assemblage d'un instrument et d'un microphone déterminés.
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