WO2015177359A1 - Systeme et procede pour mesurer l'impedance acoustique d'une cavite - Google Patents

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WO2015177359A1
WO2015177359A1 PCT/EP2015/061454 EP2015061454W WO2015177359A1 WO 2015177359 A1 WO2015177359 A1 WO 2015177359A1 EP 2015061454 W EP2015061454 W EP 2015061454W WO 2015177359 A1 WO2015177359 A1 WO 2015177359A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cavity
signal
impedance
acoustic
response
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/061454
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English (en)
Inventor
Nathalie HENRICH BERNARDONI
Cédrik ERBSEN
Boris Doval
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Pierre Et Marie Curie
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite Pierre Et Marie Curie filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H15/00—Measuring mechanical or acoustic impedance

Definitions

  • the present invention generally relates to real-time measurement systems of the acoustic properties of resonance cavities, and in particular a method, system and computer program for measuring the acoustic impedance of a cavity.
  • Such systems make it possible to measure the acoustic impedance of acoustic elements to be characterized, such as resonance cavities, such as the human vocal tract and the body of wind musical instruments.
  • the conventional approach for measuring the acoustic impedance of a resonance cavity is to send an external excitation signal into the cavity to be measured.
  • an external excitation signal For example, for the measurement of the transfer function of the vocal tract, certain known systems inject at the laryngeal level and externally a sinusoidal signal (O.Fujimura and J.
  • the acoustic flow source thus generated charges the cavity to be measured and a nearby microphone measures the response.
  • the response to the acoustic load is superimposed on the acoustic signal produced by the voice or play of the instrument.
  • the spectrum of the recorded signal shows peaks at the resonant frequencies of the cavity.
  • the acoustic flow source used is a flat spectrum harmonic signal.
  • the flattening of the spectrum is obtained by signal processing (inversion of the Fourier coefficients of the harmonic series) during a preliminary calibration step of the system.
  • the injection of the acoustic signal and its recording are computer-controlled. Such systems thus make it possible to measure the resonant frequencies.
  • existing measurement systems measure only the resonant frequencies. They do not allow a measurement of the bandwidths, a saturated mode operation, or the injection of high powers. They are also restrictive and do not offer flexibility on radiation boundary conditions. Moreover, in addition to their often high cost, they do not allow acoustic measurements in the dynamics of vocal or instrumental play.
  • the invention improves the situation by proposing a method for measuring the acoustic impedance of a cavity by injecting a flow rate at a given point inside the cavity or at the entrance to the cavity by means of a device.
  • injection method comprising the following steps, for each impedance measurement: - injecting an exciter signal x (t) in the form of a flow rate at the given point of the cavity for a finite time period, and recording the response y (t) of the cavity at the injected flow rate by means of a microphone arranged substantially at the given point, which provides the pressure at the given point,
  • the composite signal may further comprise the impulse responses of the harmonic distortions.
  • the method may further include a prior calibration step for measuring the transfer function of the injection device, the calibrating step comprising the steps of:
  • each impedance measurement at the given point of the cavity comprising applying the correction impedance to the pressure value recorded at the given point of the cavity.
  • the given point of the cavity may be located at the entrance of the cavity.
  • the step of extracting the linear portion of the composite signal hcomp (t) may include applying a selected time windowing to the recorded signal.
  • the windowing can be adapted to extract the part of the transfer function located in the interval [T, 2T].
  • the exciter signal may be an exponential instantaneous frequency sliding sinus (SIGFIE).
  • SIGFIE exponential instantaneous frequency sliding sinus
  • the exciter signal may be synthesized by a computer device equipped with a sound card, the injection device comprising:
  • a compression chamber for generating an acoustic pressure signal from the amplified signal
  • an impedance adapter for transforming a pressure signal into an acoustic flow signal
  • an injection tube positioned at the output of the impedance adapter so as to bring the source of acoustic flow at the point of injection.
  • the cavity may be a vocal tract.
  • the invention further proposes a system for measuring the acoustic impedance of a cavity comprising an injection device configured to inject a flow rate at a given point of the cavity, for each impedance measurement, the injection device being configured to inject an exciter signal x (t) in the form of a flow rate at a given point in the cavity.
  • the system further comprises:
  • a microphone (6) for recording the response y (t) of the cavity at the injected flow, which provides the pressure at the given point
  • a computer device comprising an impedance calculation function for calculating the acoustic impedance of the cavity at the given point from the recorded pressure, the impedance calculation function implementing the following steps:
  • the computing device may be provided with a sound card for synthesizing the exciter signal x (t), while the injection device comprises:
  • an amplifier for amplifying the synthesized excitation signal
  • an electroacoustic transducer for generating an acoustic pressure signal from the amplified signal
  • an impedance adapter for transforming a pressure signal into an acoustic flow signal
  • an injection tube positioned at the output of the impedance adapter so as to bring the source of acoustic flow at the point of injection.
  • the proposed embodiments thus provide a solution for measuring the impedance of an acoustic duct that is simpler and less expensive than existing solutions. They thus make it possible to obtain a large amount of results in a shorter time and at a lower cost.
  • Another advantage of the invention is to allow operation in saturated mode and the injection of high power into the acoustic cavity.
  • Acoustic measurements can also be performed in the dynamics of vocal or instrumental play.
  • Another advantage of the invention is that it allows a complete characterization of the resonances not only in frequency but also in bandwidth, in quality factor and / or in phase information.
  • the invention also allows a measurement of the acoustic impedance of a cavity without the need for a sealed connection between the device and the cavity.
  • FIG. 1 is a general view of the impedance measurement system, according to some embodiments
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the injection of a flow source, according to some embodiments
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the characterization of harmonic distortions
  • FIG. 4 is a flowchart of the calibration method, according to some embodiments of the invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of the impedance measurement method, according to certain embodiments of the invention.
  • FIG. 6 illustrates the evolution of the modulus and phase of the impedance as a function of frequency, according to an exemplary embodiment.
  • Figure 1 schematically shows the elements of the architecture of a real-time impedance measurement system 100 configured to measure the impedance of an acoustic cavity 30, according to some embodiments.
  • the cavity 30 may be an acoustic cavity of any volume, such as for example a human vocal tract or a resonance cavity of a musical instrument.
  • the invention is particularly suitable for the measurement of large volume cavity, such as an exhaust line on an internal combustion engine.
  • the real-time impedance measurement system 100 is configured to inject a calibrated sound flow source at a point in the cavity and to measure the impulse response of the cavity at this acoustic load and deduce the corresponding transfer function.
  • Acoustic impedance is the resistance of a medium to the passage of sound and is represented by the ratio of sound pressure to acoustic volume flow.
  • the input impedance of an acoustic cavity, such as a vocal tract, notably makes it possible to access the resonances of the cavity through its module and its phase.
  • the real-time impedance measurement system 100 comprises a computer device 10 (such as for example a computer) equipped with a sound card 1 (also called an "acquisition card") for generating an exciter signal, a device for the transmission of the signal.
  • a computer device 10 such as for example a computer
  • a sound card 1 also called an "acquisition card”
  • injection 20 for injecting the exciter signal in the form of an acoustic flow rate into a measurement point of the cavity 30, and a microphone 6 for recording the response of the cavity to the injected flow source in the form of a pressure .
  • the sound card 1 is further configured to digitize the response recorded by the microphone 6 for digital processing by the computing device 10 to determine the acoustic input impedance of the cavity from the response recorded by the microphone 6.
  • the injection device 20 comprises an amplifier 2, an electroacoustic transducer 3 (for example of the loudspeaker or compression chamber type), an impedance adapter 4 and an injection tube 5.
  • the tube of FIG. Injection 5 can be plastic and small diameter.
  • the material of the injection tube, its diameter and its length can be chosen according to the application of the invention.
  • the injection tube 5 is a rigid tube, substantially short and of small diameter.
  • the sound card 1 of the computer is configured to synthesize an exciter signal x (t) and convert it.
  • the exciter signal is then amplified by the amplifier 2 before being transmitted to the electroacoustic transducer 3 which transforms it into pressure. acoustic.
  • the sound pressure signal generated at the output of the electroacoustic transducer 3 is converted into an acoustic flow rate signal by means of the impedance adapter 4 which comprises a duct which can be in particular of conical or exponential shape.
  • the injection tube 5 is positioned at the output of the impedance adapter 4 so as to bring the source of acoustic flow to a point in the space where the measurement is made, for example inside or outside the room.
  • the microphone 6 is preferably attached to the end of the injection tube 5.
  • the microphone 6 is configured to record the response of the cavity to the acoustic load imposed on it.
  • the microphone 6 and the end of the injection tube 5 are in particular positioned at a distance close to one another so as to be considered that they are positioned at the same point in the acoustic propagation space.
  • the acoustic signal (sound pressure at the measurement point) recorded by the microphone 6 is then digitized by the sound card 1 and is digitally processed by the computing device to determine the input impedance of the cavity.
  • the measured acoustic impedance is characterized by its modulus and phase which depend on the frequency. It is measured over a time window of finite duration T.
  • the accuracy of the impedance measurement can vary according to the duration T. In particular, this duration can be fixed over a very wide range of values whose order of magnitude can go from a duration of 10 milliseconds to durations of the order of one minute.
  • the acoustic impedance is measured over a frequency band [f 1, f2].
  • the frequencies f1 and f2, expressed in Hertz, can take any positive value.
  • the frequency f1 may in particular be zero.
  • the frequency f2 can be chosen according to the frequency responses of the different elements of the measurement system. In particular, the frequency f2 may be less than or equal to half the sampling frequency.
  • the frequency band [f1, f2] on which the impedance measurement is carried out can be chosen according to the field of application of the invention.
  • FIG. 2 represents a partial view of the system 100 illustrating the injection of the exciter signal x (t) at the input of the cavity 30 and the recording of the response y (t) in an embodiment where the cavity 30 is a conduit voice, whose impedance is to be measured, modeled by an open-closed tube of length L extending along an axis z.
  • the output flow of the transducer 3 is directed towards the mouth of the singer or the entrance of the cavity to be measured through the tube 5 connected to the transducer which may be a plastic pipe.
  • the microphone 6 then records the response y (t) to the acoustic load applied.
  • the contribution made by the injection device 20 can have an effect on measurement of the input impedance of the studied cavity. It can induce in particular a modification of the radiation conditions due to the presence of the tube 5 and the microphone 6.
  • a reference point can be implemented to determine the correction impedance induced by the injection device during a calibration step. The correction impedance is determined by injecting a flow rate at a selected reference point on any plane surface outside the cavity (at the closed cavity, for example at the closed lips for a duct type cavity).
  • the impedance measured at a point in the cavity can then be corrected from this correction impedance.
  • the correction impedance can be applied before injection or in post-treatment.
  • the calibration step thus allows control of the injected flow source.
  • the correction impedance is applied before the injection, the injected source is a calibrated source.
  • x (t) denotes the exciter signal
  • x '(t) denotes the applied inverse signal
  • y (t) is the output of the system in response to the signal x (t)
  • h comp (t) (* x '(t) (equation 4)
  • h-comp it (* x '(t) (equation 4)
  • h comp (t) h (t) + F ⁇ x (t) ⁇ * x '(t) + n (t) * x' (t) equation 6)
  • h (t) h comp (t) w (t) (equation 7)
  • w (t) denotes a weighting window, zero outside an interval .
  • w (t) can be a rectangular window whose size is calculated according to the impulse response h (t).
  • the transfer function of the linear part of the system is obtained by:
  • Equation 6 Equation 6bis.
  • H (f) D (f) H (f), for all f belonging to k [fl, f 2]
  • the length of the tube 5 used may induce small non-linearities that associate with the distortions of the amplifier and the transducer to distort the sent signal.
  • the nonlinearities of the tube are comparable in intensity to the distortions of the other elements of the sound production chain.
  • the computing device 10 thus comprises an impedance calculation function for calculating the acoustic impedance from the signal recorded at the chosen point of the cavity.
  • the same impedance calculation function is used for the determination of the correction impedance.
  • the impedance calculation function is configured to:
  • the computation function can additionally extract the impulse responses from the cores of order 2 or more corresponding to the harmonic distortions.
  • the extraction operation thus makes it possible to recover only the linear part of the system, which is particularly advantageous in situations where nonlinearities are superimposed on the linear response of the system.
  • the extraction of the linear part of the transfer function is implemented in particular by applying a selected windowing w (t) to the calculated impulse response h (t).
  • windowing may in particular be configured so as to extract part of the transfer function over a chosen time interval.
  • the exciter signal may be an exponential instantaneous frequency sinus sliding signal (also called SIGFIE) defined by the Farina method (Farina A. (2000) Simultaneous Measurement of Impulse Response and Distortion with a Swept -Sine Technique, Journal of the Audio Engineering Society Vol.5093, pp. 1-24).
  • SIGFIE exponential instantaneous frequency sinus sliding signal
  • the inventors have established that a signal SIGFIE conventionally used to characterize the transfer function between two points (ie report output on input) in the case of room acoustics or audio equipment for stereophony could be used advantageously to characterize the input impedance of a cavity.
  • the signal x (t) can be inverted temporally so that the instantaneous frequency decreases over time.
  • a represents the compression coefficient of the SIGFIE signal
  • the frequency varies exponentially as a function of time between f and f 2 during the duration T.
  • the signal obtained is of size 2 * T, T corresponding to the time duration of the SIGFIE.
  • the part of this signal in the interval [0, T] corresponds to the harmonic distortions.
  • the linear part of the system can then be obtained by applying a windowing w (t) configured to extract only the interval [T, 2T]. It has been observed that the longer the signal, the less sensitive it is to disturbances, and therefore the signal-to-noise ratio is all the more important as the signal is long.
  • the inventors have also found that the shorter the injection time, the closer its behavior to that of a Dirac, so that nonlinearities can disturb the linear part of the system.
  • the distance of nonlinearities from the linear part is notably related to the duration of the SIGFIE and more broadly to the compression coefficient a.
  • Another advantage of this embodiment based exciter signal type SIGFIE is that it allows the characterization of the cavity even in saturated operation. The results related to saturation are discarded at the time of the digital processing by the computing device 10. The measurements can then be performed even when the system or the measuring device has harmonic distortions.
  • the particular purpose of the injection device 20 is to transform, by virtue of its exponential cone, a source of pressure into a flow source.
  • the use of the SIGFIE technique to rectify a frequency response makes it possible to correct the frequency response of a flow source.
  • SIGFIE type signals being perfectly defined in modulus and in phase, the impulse response h (t) obtained makes it possible to determine very precisely the module of the acoustic impedance as well as its phase. The position of the impedance peaks and their width is then known.
  • the capacity of SIGFIEs to overcome the problems of distortion allows the sending of a significant energy. Therefore, it is possible to characterize conduits whose size is of the order of the vocal tract or a musical instrument. But the power that can transmit the system 100 allows measurements on larger cavities, such as vehicle exhaust outlets or large nozzles.
  • static measurement an isolated measurement according to which the input impedance is measured during the duration T;
  • the impedance measuring system can be used to dynamically determine the temporal evolution of the linear part of said acoustic system studied.
  • the impedance measurement system can be used to observe the resonance values obtained by measuring the acoustic impedance, by visualizing the complex impedance across its module and its phase, preferably according to a real-time approach with as many measurements as possible in the shortest possible time.
  • the computing device 10 may comprise a screen for displaying the measured curves almost in real time.
  • the computing device 10 may comprise a graphical interface manager for generating on one or more interfaces diagrams (eg modulating an impedance as a function of the frequency, phase of an impedance as a function of the frequency) from impedance measurements made, according to the application of the invention.
  • Each injection of a signal SIGFIE produces a composite response that contains the harmonic distortions of any order n.
  • the distortion rate has been studied by the inventors in a particular embodiment using short tubes and calculating the distortion rate for the first 7 harmonics. It has been observed that beyond the 7th harmonic the distortion rate may be less than 0.1% at maximum power in some embodiments. More generally, the rate of distortion depends on the initial power. Thus, in other embodiments, it may be possible to obtain less than 0.1% of distortion from the second harmonic.
  • FIG. 4 represents the steps of the method of calibrating the injection device in order to determine the transfer function of the injection device 20.
  • FIG. 4 is described in relation to a SIGFIE type excitation signal by way of non-limiting example.
  • a SIGFIE exciter signal x (t) defined over the desired frequency range [f 1, f 2] and the desired duration T according to equation 9, is injected on any flat surface or in space free at step 400.
  • the response y (t) is recorded at step 402.
  • the record y (t) is then convoluted at step 404 with the corresponding inverse SIGFIE x '(t), which provides the composite response hcomp (t) ca i of the injection device.
  • This composite response hcomp (t) ca i is then windowed at step 406 using the window w (t) to extract only the linear part over the interval [T, 2T] which is then inverted to obtain the correction pulse.
  • the correction pulse h (t) ca i (also called correction impedance) is then stored.
  • the measurement step can then be implemented.
  • FIG. 5 represents the steps of the real-time acoustic impedance measurement method, according to one embodiment of the invention in which the exciter signal is of SIGFIE type.
  • step 500 the flow source x (t) is injected at the selected point P of the cavity 30 to be characterized.
  • Different injection configurations can be used to respect the desired radiation conditions: closed cavity, radiation in an infinite plane, simple radiation of the conduit, etc.
  • step 502 the response of the system y (t) is recorded by a microphone positioned substantially at the point P, therefore in the vicinity of the flow source. The recording of an acoustic pressure is thus obtained in a point of space assimilated to the injection point of the acoustic flow source.
  • step 504 the pressure recorded during the measuring step y (t) is convolved with the inverse signal x '(t), which provides the composite response h CO mp (t).
  • step 506 the linear part of the composite response h CO mp (t) is extracted, which provides a transfer function between the injection point and the measurement point, which points are considered to be substantially identical.
  • This transfer function thus links a flow (known) and a pressure (measured) at the same point and corresponds to the impedance of the entire measured duct and the measuring device (including the radiation).
  • the correction pulse h ca i calculated at the time of the calibration step can be applied to this impedance, which provides the impedance of the cavity to be measured.
  • the correction impedance can be applied to the calculation of the flow rate signal (calibrated flow rate) before the injection of the calibrated flow source at the inlet of the cavity to be characterized.
  • the embodiments of the invention make it possible to send a very large amount of energy into the cavity to be characterized, without worrying about saturation phenomena. It is another advantage of the invention to provide the complete response of the conduit, namely information in both module and phase.
  • the invention can be used, for example, to detect resonances of the vocal tract of a speaker or a singer. To detect the resonance peaks, the modulus and / or the phase of the acoustic impedance can be used. Indeed, each resonance corresponds to a maximum level of the module and a setback at the phase.
  • FIG. 6 represents the evolution of the modulus and phase of the impedance as a function of frequency, according to an exemplary embodiment.
  • Resonance detection can be performed by detecting the maxima of the acoustic impedance module from such a curve and / or taking into account the phase information of the acoustic impedance. To characterize the resonances, the characteristics of each detected peak can then be analyzed. The device can be applied to the measurement during the production of a vocal sound or during the playing of the instrument. The impedance curve can then present local maximas of low amplitude to the harmonics of the vocal or instrumental sound. These harmonic maxima present on the impedance curve can be suppressed by signal processing.
  • the embodiments of the invention thus make it possible to measure the cavity impedance in real time, even in the case of mobility: They allow a real-time measurement in the dynamics of a cavity, which is particularly advantageous for the conduits mobile (voice, wind instruments).
  • the impedance measurement method can be implemented in a variety of hardware (hardware), software, or a combination of hardware and software.
  • the invention is not limited to the embodiments described above by way of non-limiting example. It encompasses all the embodiments that may be envisaged by those skilled in the art.
  • the invention is not limited to a particular type of electroacoustic transducer, injection tube, microphone. It is also not limited to a particular form of impedance adapter and can be applied for example to an adapter having a linear cone or an exponential cone.
  • the invention is not limited to a particular type of cavity and can be applied more generally to any type of cavity having acoustic properties of resonance.
  • the invention is also not limited to the resonance measurement applications mentioned above. It can be used for example in any type of acoustic laboratory without limitation to musical acoustics, for measurements of acoustic cavity impedances. Although not limited to such applications, the invention has a particular advantage in measuring the behavioral behavior of the vocal tract for applications in the field of silent speech ("Silent Speech") and more broadly of speech analysis. (eg applications for phonetics and speech laboratories as well as for speech therapists). In particular, it offers a simple and effective solution for measuring the acoustic impedance of large objects such as exhaust lines or nozzles, objects whose acoustic properties are highly controlled.

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Abstract

L'invention propose un procédé pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité par injection d'un débit en un point donné à l'intérieur de la cavité ou en entrée de la cavité au moyen d'un dispositif d'injection, le procédé comprenant les étapes suivantes, pour chaque mesure d'impédance : - injecter un signal excitateur x(t) sous la forme d'un débit au point donné de la cavité, et enregistrer la réponse y(t) de la cavité au débit injecté au moyen d'un microphone (6) agencé sensiblement au niveau du point donné, ce qui fournit la pression au point donné, - appliquer une fonction de calcul d'impédance pour calculer l'impédance acoustique de la cavité (30) au point donné à partir de la pression enregistrée, ladite fonction de calcul d'impédance mettant en œuvre les étapes suivantes : o convoluer la réponse enregistrée y(t) avec un signal inverse x'(t) calculé à partir de x(t), ce qui fournit une réponse composite comprenant la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système défini entre le signal excitateur x(t) et la réponse enregistrée y(t), et o extraire la partie linéaire de cette réponse composite, ce qui fournit l'impédance acoustique de la cavité. La cavité peut être un conduit vocal ou une cavité de volume quelconque.

Description

Système et procédé pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité Domaine technique
La présente invention concerne de manière générale les systèmes de mesure en temps-réel des propriétés acoustiques de cavités de résonance, et en particulier un procédé, système et programme d'ordinateur pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité.
Art Antérieur
Les systèmes de mesure d'impédance acoustique ont connus de nombreux développements depuis les années 1970, comme décrit dans l'article de revue Dalmont, J.-P. 2001 Acoustic impédance measurement, part I : A review. J. Sound Vib.243(3), 427-439 ou dans l'article de Paul Dickens, John Smith and Joe Wolfe, Improved précision in measurements of acoustic impédance spectra using resonance-free calibration loads and controlled error distribution, Journal of Acoust. Soc. Am., Vol. 121 , No. 3, (2007), pp. 1471 -1481 .
De tels systèmes permettent de mesurer l'impédance acoustique d'éléments acoustiques à caractériser tels que des cavités de résonance, comme le conduit vocal humain et le corps des instruments de musique à vents.
L'approche classique pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité de résonance consiste à envoyer un signal d'excitation externe dans la cavité à mesurer. Par exemple, pour la mesure de la fonction de transfert du conduit vocal, certains systèmes connus injectent au niveau laryngé et de façon externe un signal sinusoïdal (O.Fujimura and J. Lindqvist, « Sweep-tone measurements of vocal-tract characteristics », The Journal of the Acoustical Society of America, 49(2), p. 541 - 558, 1971 ), du bruit blanc (Castelli E, and Badin P (1988), « Vocal tract transfer functions with white noise excitation— application to the naso-pharyngeal tract » Proc., 7th FASE Symposium, Edinburgh, 415-422.), ou un signal d'excitation pseudo-aléatoire (Djeradi A, Guerin B, Badin P, and Perrier P (1991 ), « Measurement of the acoustic transfer function of the vocal tract : a fast and accurate method », J. Phonetics 19, 387-395). Cependant de tels systèmes sont limités par :
- la durée de tenue d'un son lors de la mesure, - une puissance parfois très supérieure à celle du signal de parole et donc inconfortable pour un locuteur, et
- l'absence de connaissance de la fonction de transfert de la peau et des cartilages au niveau laryngé.
Plus récemment, des systèmes de mesure temps-réel des résonances acoustiques d'une cavité ont été développés pour les instruments de musique (J. Wolfe, J. Smith, J. Tann, and N. H. Fletcher (2001 ) "Acoustic impédance spectra of classical and modem flûtes," J. Sound Vib. 243, 127-144) et la voix humaine (Epps J, Smith J R, and Wolfe J (1997), "A novel instrument to measure acoustic résonances of the vocal tract during speech", Meas. Sci. Technol. 8, 1 1 12-1 121 ). Ces systèmes sont basés sur le fonctionnement suivant : durant l'émission vocale ou durant le jeu de l'instrument, un signal acoustique calibré est généré à partir d'un dispositif constitué d'un haut-parleur couplé à un conduit exponentiel qui joue le rôle d'adaptateur d'impédance. La source de débit acoustique ainsi générée charge la cavité à mesurer et un microphone placé à proximité en mesure la réponse. La réponse à la charge acoustique se superpose au signal acoustique produit par la voix ou le jeu de l'instrument. Avec suffisamment de puissance émise en charge, le spectre du signal enregistré fait apparaître des pics aux fréquences de résonance de la cavité. La source de débit acoustique utilisée est un signal harmonique à spectre plat. L'aplatissement du spectre est obtenu par traitement de signal (inversion des coefficients de Fourier de la série harmonique) lors d'une étape préalable de calibrage du système. L'injection du signal acoustique et son enregistrement sont pilotés par ordinateur. De tels systèmes permettent ainsi la mesure des fréquences de résonance. Toutefois, ils ne permettent pas de mesurer la largeur de bande, le facteur de qualité ou l'information de phase de ces résonances. Par ailleurs, ces systèmes sont exposés à des problèmes de saturation en cas de niveau sonore important, ont un coût important lié à la qualité du microphone d'enregistrement et de la carte d'acquisition, ainsi qu'une durée de mesure de l'ordre de 2 à 4s, ce qui oblige à tenir le son (les mesures ne sont pas possibles lors des transitions).
Ainsi, les systèmes de mesure existants ne mesurent que les fréquences de résonance. Ils ne permettent pas une mesure des largeurs de bande, un fonctionnement en régime saturé, ni l'injection de fortes puissances. Ils sont en outre contraignants et ne présentent pas de flexibilité sur les conditions aux limites de rayonnement. Par ailleurs, en plus de leur coût souvent élevé, ils ne permettent pas les mesures acoustiques dans la dynamique du jeu vocal ou instrumental.
Définition générale de l'invention
L'invention vient améliorer la situation en proposant un procédé pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité par injection d'un débit en un point donné à l'intérieur de la cavité ou en entrée de la cavité au moyen d'un dispositif d'injection, le procédé comprenant les étapes suivantes, pour chaque mesure d'impédance : - injecter un signal excitateur x(t) sous la forme d'un débit au point donné de la cavité pendant une durée temporelle finie, et enregistrer la réponse y(t) de la cavité au débit injecté au moyen d'un microphone agencé sensiblement au niveau du point donné, ce qui fournit la pression au point donné,
- appliquer une fonction de calcul d'impédance pour calculer l'impédance acoustique de la cavité au point donné à partir de la pression enregistrée, la fonction de calcul d'impédance mettant en œuvre les étapes suivantes :
o convoluer la réponse enregistrée y(t) avec un signal x'(t) calculé à partir du signal excitateur x(t), ce qui fournit un signal composite hcomp(t) comprenant la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système défini entre le signal x(t) et la réponse enregistrée y(t), et
o extraire la partie linéaire du signal composite hcomp(t), ce qui fournit l'impédance acoustique de la cavité.
Selon une autre caractéristique, le signal composite peut comprendre en outre les réponses impulsionnelles des distorsions harmoniques.
Le procédé peut comprendre en outre une étape préalable de calibrage pour mesurer la fonction de transfert du dispositif d'injection, l'étape de calibrage comprenant les étapes consistant à :
- injecter le signal excitateur x(t) sous la forme d'une source de débit en un point de référence situé dans l'espace ouvert ou au niveau d'une surface plane à l'extérieur de la cavité,
enregistrer la pression au point de référence, et appliquer la fonction de calcul d'impédance à la réponse enregistrée au point de référence, ce qui fournit une impédance de correction,
chaque mesure d'impédance au point donné de la cavité comprenant l'application de l'impédance de correction à la valeur de pression enregistrée au point donné de la cavité.
Le point donné de la cavité peut être situé au niveau de l'entrée de la cavité.
L'étape d'extraction de la partie linéaire du signal composite hcomp(t) peut comprendre l'application d'un fenêtrage temporel choisi au signal enregistré. Le fenêtrage peut être adapté pour extraire la partie de la fonction de transfert située dans l'intervalle [T, 2T].
Dans une forme de réalisation, le signal excitateur peut être un sinus glissants à fréquence instantanée exponentielle (SIGFIE).
Le signal excitateur peut être synthétisé par un dispositif informatique équipé d'une carte son, le dispositif d'injection comprenant :
- un amplificateur pour amplifier le signal synthétisé,
- une chambre de compression pour générer un signal de pression acoustique à partir du signal amplifié,
- un adaptateur d'impédance pour transformer un signal de pression en un signal de débit acoustique, et
- un tube d'injection positionné en sortie de l'adaptateur d'impédance de manière à amener la source de débit acoustique au niveau du point d'injection.
La cavité peut être un conduit vocal.
L'invention propose en outre un système pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité comprenant un dispositif d'injection configuré pour injecter un débit en un point donné de la cavité, pour chaque mesure d'impédance, le dispositif d'injection étant configuré pour injecter un signal excitateur x(t) sous la forme d'un débit en un point donné de la cavité. Le système comprend en outre :
- un microphone (6), pour enregistrer la réponse y(t) de la cavité au débit injecté, ce qui fournit la pression au point donné, - un dispositif informatique comprenant une fonction de calcul d'impédance pour calculer l'impédance acoustique de la cavité au point donné à partir de la pression enregistrée, la fonction de calcul d'impédance mettant en œuvre les étapes suivantes :
o convoluer la réponse enregistrée y(t) avec un signal x'(t) calculé à partir du signal excitateur x(t), ce qui fournit un signal composite hcomp(t) comprenant la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système défini entre le signal x(t) et la réponse enregistrée y(t), et
o extraire la partie linéaire du signal composite hcomp(t), ce qui fournit l'impédance acoustique de la cavité.
Le dispositif informatique peut être muni d'une carte son pour synthétiser le signal excitateur x(t), tandis que le dispositif d'injection comprend :
- un amplificateur pour amplifier le signal excitateur synthétisé, - un transducteur électroacoustique pour générer un signal de pression acoustique à partir du signal amplifié,
- un adaptateur d'impédance pour transformer un signal de pression en un signal de débit acoustique, et
- un tube d'injection positionné en sortie de l'adaptateur d'impédance de manière à amener la source de débit acoustique au niveau du point d'injection.
Les modes de réalisation proposés offrent ainsi une solution de mesure de l'impédance d'un conduit acoustique plus simple et moins coûteuse que les solutions existantes. Ils permettent ainsi d'obtenir une quantité de résultats importante dans un temps plus court et à moindre coût.
Un autre avantage de l'invention est de permettre un fonctionnement en régime saturé et l'injection de fortes puissances dans la cavité acoustique.
Les mesures acoustiques peuvent être en outre effectuées dans la dynamique du jeu vocal ou instrumental. Un autre avantage de l'invention est qu'elle permet une caractérisation complète des résonances non seulement en fréquence mais aussi en largeur de bande, en facteur de qualité et/ou en information de phase.
L'invention permet également une mesure de l'impédance acoustique d'une cavité sans nécessiter de fixation étanche entre le dispositif et la cavité.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une vue générale du système de mesure d'impédance, selon certains modes de réalisation ; - la figure 2 est un schéma illustrant l'injection d'une source de débit, selon certains modes de réalisation ;
- la figure 3 est un diagramme illustrant la caractérisation des distorsions harmoniques,
- La figure 4 est un organigramme du procédé de calibrage, selon certains modes de réalisation de l'invention,
- La figure 5 est un organigramme du procédé de mesure d'impédance, selon certains modes de réalisation de l'invention, et
- la figure 6 illustre l'évolution du module et de la phase de l'impédance en fonction de la fréquence, selon un exemple de réalisation.
Description détaillée
La Figure 1 représente de manière schématique les éléments de l'architecture d'un système de mesure d'impédance temps-réel 100 configuré pour mesurer l'impédance d'une cavité acoustique 30, selon certains modes de réalisation. La cavité 30 peut être une cavité acoustique de volume quelconque, comme par exemple un conduit vocal humain ou une cavité de résonance d'un instrument de musique. Bien que non limitée à de telles applications, l'invention est particulièrement adaptée à la mesure de cavité de grand volume, comme par exemple une ligne d'échappement sur un moteur à explosion.
Le système de mesure d'impédance temps-réel 100 est configuré pour injecter une source de débit acoustique calibrée en un point de la cavité et pour mesurer la réponse impulsionnelle de la cavité à cette charge acoustique et en déduire la fonction de transfert correspondante. L'impédance acoustique correspond à la résistance d'un milieu au passage du son et est représentée par le rapport entre la pression acoustique et le débit volumique acoustique. L'impédance d'entrée d'une cavité acoustique, telle qu'un conduit vocal, permet notamment d'accéder aux résonances de la cavité à travers son module et sa phase. Le système de mesure d'impédance temps-réel 100 comprend un dispositif informatique 10 (tel que par exemple un ordinateur) équipé d'une carte son 1 (encore appelée « carte d'acquisition ») pour générer un signal excitateur, un dispositif d'injection 20 pour injecter le signal excitateur sous la forme d'un débit acoustique en un point de mesure de la cavité 30, et un microphone 6 pour enregistrer la réponse de la cavité à la source de débit injectée sous la forme d'une pression. La carte son 1 est en outre configurée pour numériser la réponse enregistrée par le microphone 6 pour un traitement numérique par le dispositif informatique 10 afin de déterminer l'impédance acoustique d'entrée de la cavité à partir de la réponse enregistrée par le microphone 6. Le dispositif d'injection 20 comprend un amplificateur 2, un transducteur électroacoustique 3 (par exemple de type haut-parleur ou chambre de compression), un adaptateur d'impédance 4 et un tube d'injection 5. En particulier, le tube d'injection 5 peut être en plastique et de petit diamètre. La matière du tube d'injection, son diamètre et sa longueur peuvent être choisis en fonction de l'application de l'invention. Dans un mode de réalisation préféré, le tube d'injection 5 est un tube rigide, sensiblement court et de faible diamètre.
La carte son 1 de l'ordinateur est configurée pour synthétiser un signal excitateur x(t) et le convertir. Le signal excitateur est ensuite amplifié par l'amplificateur 2 avant d'être transmis au transducteur électroacoustique 3 qui le transforme en pression acoustique. Le signal de pression acoustique généré en sortie du transducteur électroacoustique 3 est transformé en un signal de débit acoustique à l'aide de l'adaptateur d'impédance 4 qui comprend un conduit pouvant être notamment de forme conique ou exponentielle. Le tube d'injection 5 est positionné en sortie de l'adaptateur d'impédance 4 de manière à amener la source de débit acoustique en un point de l'espace où se fait la mesure comme par exemple à l'intérieur ou à l'entrée de la cavité 30. Le microphone 6 est de préférence attaché à l'extrémité du tube d'injection 5. Le microphone 6 est configuré pour enregistrer la réponse de la cavité à la charge acoustique qui lui est imposée. Le microphone 6 et l'extrémité du tube d'injection 5 sont notamment positionnés à une distance proche l'un de l'autre de manière à pouvoir considérer qu'ils sont positionnés au même point dans l'espace de propagation acoustique. Le signal acoustique (pression acoustique au point de mesure) enregistré par le microphone 6 est ensuite numérisé par la carte son 1 et est traité numériquement par le dispositif informatique pour déterminer l'impédance d'entrée de la cavité. L'impédance acoustique mesurée est caractérisée par son module et sa phase qui sont fonction de la fréquence. Elle est mesurée sur une fenêtre temporelle de durée finie T. La précision de la mesure d'impédance peut varier en fonction de la durée T. En particulier, cette durée peut être fixée sur une très large gamme de valeurs dont l'ordre de grandeur peut aller d'une durée de 10 millisecondes jusqu'à des durées de l'ordre de la minute. L'impédance acoustique est mesurée sur une bande de fréquences [f 1 ,f2] . Les fréquences f1 et f2, exprimés en Hertz, peuvent prendre toute valeur positive. La fréquence f1 peut notamment être nulle. Dans un mode de réalisation, la fréquence f2 peut être choisie en fonction des réponses en fréquence des différents éléments du système de mesure. En particulier, la fréquence f2 peut être inférieure ou égale à la moitié de la fréquence d'échantillonnage. En complément ou en variante, la bande de fréquence [f1 ,f2] sur laquelle la mesure d'impédance est effectuée peut être choisie en fonction du domaine d'application de l'invention.
Telle qu'utilisée ici, l'expression « mesure d'impédance » fait référence à une détermination de l'impédance à partir de l'enregistrement d'une réponse à un signal injecté. La figure 2 représente une vue partielle du système 100 illustrant l'injection du signal excitateur x(t) en entrée de la cavité 30 et l'enregistrement de la réponse y(t) dans un mode de réalisation où la cavité 30 est un conduit vocal, dont on veut mesurer l'impédance, modélisé par un tube ouvert-fermé de longueur L s'étendant selon un axe z. Comme montré sur la figure 2, le signal x(t) est injecté au niveau de l'entrée du conduit vocal (z=L). Le débit sortant du transducteur 3 est dirigé vers la bouche du chanteur ou à l'entrée de la cavité à mesurer grâce au tube 5 relié au transducteur qui peut être un tuyau en plastique. Le microphone 6 enregistre alors la réponse y(t) à la charge acoustique appliquée.
La contribution apportée par le dispositif d'injection 20 (par exemple, la chaîne de production du signal excitateur qui est injecté au niveau des lèvres, en parallèle avec le rayonnement aux lèvres, pour une cavité de type conduit vocal) peut avoir un effet sur la mesure de l'impédance d'entrée de la cavité étudiée. Elle peut induire notamment une modification des conditions de rayonnement du fait de la présence du tube 5 et du microphone 6. Pour tenir compte de cette contribution, avant d'effectuer la mesure d'impédance à partir de l'injection d'une source de débit, une prise de référence peut être mise en œuvre pour déterminer l'impédance de correction induite par le dispositif d'injection lors d'une étape de calibrage. L'impédance de correction est déterminée en injectant un débit en un point de référence choisi sur une surface plane quelconque à l'extérieur de la cavité (au niveau de la cavité fermée comme par exemple au niveau des lèvres fermées pour une cavité de type conduit vocal) ou dans l'espace environnant (espace libre). Il convient de noter qu'une surface plane ou l'espace environnant présentent des conditions de rayonnement différentes. La réponse acoustique au signal excitateur ainsi injecté est ensuite enregistrée, ce qui fournit la fonction de transfert du dispositif d'injection en parallèle avec l'impédance de rayonnement du milieu extérieur, et donc l'impédance de correction.
L'impédance mesurée en un point de la cavité peut alors être corrigée à partir de cette impédance de correction.
L'impédance de correction peut être appliquée avant injection ou en post-traitement. L'étape de calibrage permet ainsi une maîtrise de la source de débit injectée. Lorsque l'impédance de correction est appliquée avant l'injection, la source injectée est une source calibrée.
D'un point de vue théorique, le signal injecté x(t) est choisi de telle sorte que, convolué à un signal inverse x'(t) calculé à partir de x(t), il permet d'obtenir un Dirac, soit : x(t) * x'(t) = ô(t) Equation 1)
Dans l'équation 1 :
- x(t) désigne le signal excitateur ;
- x'(t) désigne le signal inverse appliqué ;
- 5(t) désigne la distribution de Dirac.
Lorsque le système à étudier est considéré comme invariant, il peut être modélisé par une partie linéaire de réponse impulsionnelle h(t), une partie non linéaire et du bruit. La sortie s'obtient alors en fonction de l'entrée par : y(t) = i(t) * x(t) + F{x(t)} + n(t) équation 2)
Dans l'équation 2 :
- y(t) est la sortie du système en réponse au signal x(t)
- h(t) est la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système
- F{x(t)} est la partie non linéaire
- n(t) est le bruit
Un modèle courant de la partie non linéaire est la décomposition en série de Volterra jusqu'à l'ordre N (ici F ne contient que les noyaux d'ordre >= 2) :
F{x(t)} = x(t)2 * h2(t) + x(t)3 * h3(t) +■■■ + x(t)N * hN(t) (équation 3) où ht(t) est la réponse impulsionnelle du noyau d'ordre i.
Le signal composite hcomp(t) (encore appelé ci après « réponse composite ») est défini par : h-comp it = ( * x'(t) (équation 4) On considère en outre l'équation 5 suivante : h(t) * x(t) * x' (t) = h(t) * 5(t) = i(t) (équation 5)
En remplaçant dans l'équation 4 y(t) par l'expression de l'équation 2 et en appliquant l'équation 5 ci-dessus, le signal composite hcomp (t) peut encore être exprimé selon l'équation 6 ci-dessous : hcomp (t) = h(t) + F{x(t)} * x' (t) + n(t) * x' (t) équation 6)
En choisissant x(t) pour que la partie non linéaire soit temporellement séparée de h(t) et en négligeant le produit n(t) * x'(t) , l'extraction de la réponse impulsionnelle h(t) à partir de hcomp (t) peut être obtenu par fenêtrage temporel : h(t) = hcomp (t)w(t) (équation 7) où w(t) désigne une fenêtre de pondération, nulle à l'extérieur d'un intervalle. Par exemple, w(t) peut être une fenêtre rectangulaire dont la taille est calculée en fonction de la réponse impulsionnelle h(t) .
La fonction de transfert de la partie linéaire du système est obtenue par :
H if) = TF{h(t)} (équation 8)
En pratique, le signal injecté x(t) dans la cavité 30 est de taille finie T, à bande de fréquence limitée [ l,/2] et causal. L'équation (1 ) est alors remplacée par l'équation 1 bis : x(t) * x' (t) = d (t— T) (Equation Ibis) où d(t) désigne un signal tel que D( ) = 1, pour tout f appartenant [fl, f 2] , et arbitraire ailleurs. Par exemple D (f) peut être nul hors de l'intervalle [fl, f2] .
L'équation 6 est alors remplacée par l'équation 6bis : hcomp (t) = h(t) * d(t— T) + F{x(t)} * x' (t) + n(t) * x' (t) (Equation 6bis) .
La partie linéaire h(t) * d (t) vérifie la propriété :
H(f)D (f) = H(f), pour tout f appartenant k [fl, f 2]
Ainsi la partie linéaire du système peut être extraite sur la bande de fréquences [/l,/2] par l'équation 7 modifée (équation 7bis): h(t) = hcomp (t)w(t— T) (Equation Ibis) La fonction de transfert mesurée est encore donnée par l'équation 8 ci-dessus. Le système 100 injecte ainsi le signal excitateur x(t) sous la forme d'un débit acoustique en entrée de la cavité 30 et récupère la sortie y(t) sous la forme d'une pression. À partir de la pression enregistrée, la valeur de l'impédance d'entrée de la cavité peut être alors mesurée selon la fonction de transfert H if) décrite ci-dessus.
La longueur du tube 5 utilisée peut induire de faibles non-linéarités qui s'associent aux distorsions de l'amplificateur et du transducteur pour distordre le signal envoyé. Les non-linéarités du tube sont comparables en intensité aux distorsions des autres éléments de la chaîne de production du son. Ces imperfections dans l'estimation de l'impédance du conduit vocal peuvent être supprimées grâce à l'emploi d'un signal excitateur x(t) adapté pour extraire la réponse impulsionnelle h(t) de la partie linéaire du système.
Le dispositif informatique 10 comprend ainsi une fonction de calcul d'impédance pour calculer l'impédance acoustique à partir du signal enregistré au point choisi de la cavité. Dans le mode de réalisation où une étape de calibrage est mise en œuvre, la même fonction de calcul d'impédance est utilisée pour la détermination de l'impédance de correction. La fonction de calcul d'impédance est configurée pour :
- générer le signal à injecter x(t) ainsi que le signal inverse x'(t),
- déterminer la réponse composite hcompit) selon l'équation 4, - extraire la partie linéaire h(t) du système à partir de la réponse composite selon l'équation 7bis et en déduire la fonction de transfert selon l'équation 8, ce qui fournit l'impédance acoustique au niveau du point d'injection (point choisi de la cavité dans l'étape de mesure ou point de référence dans l'étape de calibrage). La fonction de calcul peut en complément extraire les réponses impulsionnelles des noyaux d'ordre 2 ou plus correspondant aux distorsions harmoniques.
L'opération d'extraction permet ainsi de ne récupérer que la partie linéaire du système, ce qui est particulièrement avantageux dans les situations où des non- linéarités se superposent à la réponse linéaire du système. L'extraction de la partie linéaire de la fonction de transfert est notamment mise en œuvre en appliquant un fenêtrage choisi w(t) à la réponse impulsionnelle calculée h(t). Un tel fenêtrage peut notamment être configuré de manière à extraire une partie de la fonction de transfert sur un intervalle de temps choisi.
L'utilisation d'un signal excitateur adapté pour extraire la partie linéaire de la réponse impulsionnelle de la cavité (fonction de transfert) permet de limiter le nombre d'opérations requis : en effet, la fonction de transfert h(t) peut être obtenue directement à partir de la convolution du signal enregistré y(t) avec une inversion du signal excitateur. Par ailleurs, l'extraction de la partie linéaire permet une connaissance complète des phases, donc une correction non seulement dans le domaine fréquentiel mais également dans le domaine temporel.
Dans un mode de réalisation particulier, le signal excitateur peut être un signal de type sinus glissant à fréquence instantanée exponentielle (encore appelé SIGFIE) défini par la méthode de Farina (Farina A. (2000) Simultaneous Measurement of Impulse Response and Distortion with a Swept-Sine Technique, Journal of the Audio Engineering Society Vol.5093, pp. 1 -24). En effet, les inventeurs ont établi qu'un signal SIGFIE utilisé classiquement pour caractériser la fonction de transfert entre deux points (i.e. rapport sortie sur entrée) dans le cas de l'acoustique des salles ou du matériel audio pour la stéréophonie pouvait être utilisé avantageusement pour caractériser l'impédance d'entrée d'une cavité. Dans ce mode de réalisation, le signal excitateur x(t) de type SIGFIE est donné par l'équation 9 : x(t) = sin [2n ^ (eat - 1)] (Equation 9)
Pour déterminer le signal inverse x'(t) , le signal x(t) peut être inversé temporellement de sorte que la fréquence instantanée diminue au cours du temps. Ainsi, le signal inverse x' t) peut être obtenu de la façon suivante : x\t) = x(-t)e~at (Equation 10)
avec a = (Equation 1 1 )
Dans l'équation 1 1 : - a représente le coefficient de compression du signal SIGFIE ;
- fi et désignent les fréquences entre lesquelles varie le signal pendant la durée T. En particulier, la fréquence varie exponentiellement en fonction du temps entre f et f2 pendant la durée T. Lorsque le signal excitateur SIGFIE est convolué avec le signal inverse x'(t), le signal obtenu est de taille 2*T, T correspondant à la durée temporelle de la SIGFIE. La partie de ce signal située dans l'intervalle [0, T] correspond aux distorsions harmoniques. La partie linéaire du système peut alors être obtenue en appliquant un fenêtrage w(t) configuré pour n'extraire que l'intervalle [T, 2T]. II a été observé que plus le signal est long, moins il est sensible aux perturbations, et donc que le rapport signal sur bruit est d'autant plus important que le signal est long.
Les inventeurs ont également constaté que plus la durée d'injection est petite plus son comportement est proche de celui d'un Dirac de sorte que des non-linéarités peuvent perturber la partie linéaire du système. L'éloignement des non-linéarités de la partie linéaire est notamment lié à la durée de la SIGFIE et plus largement au coefficient de compression a.
Un autre avantage de ce mode de réalisation à base de signal excitateur de type SIGFIE est qu'il permet la caractérisation de la cavité même en fonctionnement saturé. Les résultats liés à la saturation sont écartés au moment du traitement numérique par le dispositif informatique 10. Les mesures peuvent alors être effectuées même lorsque le système ou l'appareil de mesure présente des distorsions harmoniques.
Le dispositif d'injection 20 a pour particularité de transformer, grâce à son cône exponentiel, une source de pression en source de débit. Ainsi, l'utilisation de la technique des SIGFIE pour redresser une réponse fréquentielle permet de redresser la réponse fréquentielle d'une source de débit. En injectant cette source de débit en entrée de la cavité, et en mesurant sensiblement au même endroit la pression, l'impédance acoustique de la cavité peut être ainsi obtenue.
Les signaux de type SIGFIE étant parfaitement définis en module et en phase, la réponse impulsionnelle h(t) obtenue permet de déterminer très précisément le module de l'impédance acoustique ainsi que sa phase. La position des pics d'impédance et leur largeur est alors connue. De plus, la capacité des SIGFIE à s'affranchir des problèmes de distorsion autorise l'envoi d'une énergie conséquente. Dès lors, il est possible de caractériser des conduits dont la taille est de l'ordre du conduit vocal ou d'un instrument de musique. Mais la puissance que peut transmettre le système 100 permet d'effectuer des mesures sur des cavités plus imposantes, telles que des sorties d'échappement de véhicules ou des tuyères de grandes dimensions.
Deux types de mesures peuvent être mises en œuvre dans l'étape de mesure selon l'application de l'invention :
- une mesure isolée dite « mesure statique » selon laquelle l'impédance d'entrée est mesurée pendant la durée T ;
- une mesure dite « dynamique » comprenant une série de mesures consécutives entre un instant de départ et un instant de fin définis par l'opérateur. Les différentes mesures dynamiques sont effectuées presque sans temps mort. De telles mesures dynamiques, dans une application de l'invention à la détermination des résonances d'une cavité de forme variable au cours du temps, telle qu'un conduit vocal, permettent de tendre vers une observation en temps réel des résonances de la cavité. Les mesures acoustiques, et notamment les mesures de l'impédance acoustique, peuvent donc se faire dans la dynamique temporelle d'évolution de la fonction d'aire de la cavité à mesurer ou de ses propriétés acoustiques. C'est le cas du conduit vocal dans la parole ou dans le chant, dont la fonction d'aire est modifiée en permanence par les mouvements des articulateurs. C'est aussi le cas dans le jeu de l'instrument à vent, où les doigtés modifient les propriétés de résonance acoustique de l'instrument. Dans ces conditions où le système acoustique étudié n'est plus invariant dans le temps, le système de mesure d'impédance peut être utilisé pour déterminer dynamiquement l'évolution temporelle de la partie linéaire dudit système acoustique étudié.
Le système de mesure d'impédance peut être utilisé pour observer les valeurs des résonances obtenues par la mesure de l'impédance acoustique, en visualisant l'impédance complexe au travers de son module et de sa phase, de préférence selon une approche du temps réel avec le plus de mesures possibles dans un temps le plus court possible. Pour cela, le dispositif informatique 10 peut comprendre un écran pour afficher presque en temps réel les courbes mesurées. En complément, le dispositif informatique 10 peut comprendre un gestionnaire d'interfaces graphiques pour générer sur une ou plusieurs interfaces des diagrammes (e.g. module d'une impédance en fonction de la fréquence, phase d'une impédance en fonction de la fréquence) à partir des mesures d'impédances réalisées, selon l'application de l'invention.
Chaque injection d'un signal SIGFIE produit une réponse composite qui contient les distorsions harmoniques de tout ordre n.
Il a été observé par exemple que dans certains modes de réalisation, les distorsions harmoniques apparaissent dans la réponse composite sous la forme de réponses impulsionnelles d'ordre n, décalées par rapport à la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système. Il est dans ce cas possible de calculer la valeur de ce décalage Δη pour un ordre n, selon l'équation 12 ci-dessous :
An= J f- . T (Equation 12)
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Comme représenté sur le diagramme de la figure 3, en observant la réponse impulsionnelle, il est possible de situer les pics correspondants aux distorsions harmoniques. Le taux de distorsion harmonique THD est alors donné par l'équation 13 : THD =∑™= E 2 h Ehn (Equation 13) avec Ehn =∑h (t - Δη)2
L'influence de la puissance sur le taux de distorsion a été étudiée par les inventeurs dans un mode de réalisation particulier utilisant des tubes 5 courts et en calculant le taux de distorsion pour les 7 premières harmoniques. Il a été observé qu'au delà de la 7ème harmonique le taux de distorsion peut être inférieur à 0.1 % à la puissance maximale dans certaines formes de réalisation. Plus généralement, le taux de distorsion dépend de la puissance initiale. Ainsi, dans d'autres formes de réalisation, il peut être possible d'obtenir moins de 0.1 % de distorsion dès la seconde harmonique.
La figure 4 représente les étapes du procédé de calibrage du dispositif d'injection pour déterminer la fonction de transfert du dispositif d'injection 20. La figure 4 est décrite en relation avec un signal excitateur de type SIGFIE à titre d'exemple non limitatif. Pour cela, un signal excitateur x(t) de type SIGFIE, défini sur la plage de fréquences souhaitée [fl, f2] et de la durée T souhaitée selon l'équation 9, est injecté sur une surface plane quelconque ou dans l'espace libre à l'étape 400. La réponse y(t) est enregistrée à l'étape 402. L'enregistrement y(t) est ensuite convolué à l'étape 404 avec la SIGFIE inverse correspondante x'(t), ce qui fournit la réponse composite hcomp(t)cai du dispositif d'injection. Cette réponse composite hcomp(t)cai est ensuite fenêtrée à l'étape 406 en utilisant la fenêtre w(t) pour n'extraire que la partie linéaire sur l'intervalle [T, 2T] qui est alors inversée pour obtenir l'impulsion de correction. L'impulsion de correction h(t)cai (encore appelée impédance de correction) est ensuite stockée.
Après cette étape de calibrage, l'étape de mesure peut ensuite être mise en œuvre.
La figure 5 représente les étapes du procédé de mesure d'impédance acoustique temps-réel, selon une forme de réalisation de l'invention où le signal excitateur est de type SIGFIE.
A l'étape 500, la source de débit x(t) est injectée au point P choisi de la cavité 30 qui est à caractériser. Différentes configurations d'injections peuvent être utilisées pour respecter les conditions de rayonnement souhaitées : cavité fermée, rayonnement dans un plan infini, rayonnement simple du conduit, etc. A l'étape 502, la réponse du système y(t) est enregistrée par un microphone positionné sensiblement au niveau du point P donc au voisinage de la source de débit. L'enregistrement d'une pression acoustique est ainsi obtenu dans un point de l'espace assimilé au point d'injection de la source de débit acoustique.
Une étape de traitement numérique est alors mise en œuvre pour déterminer la réponse impulsionnelle comme indiqué ci-avant en relation avec la figure 4. A l'étape 504, la pression enregistrée lors de l'étape de mesure y(t) est convoluée avec le signal inverse x'(t), ce qui fournit la réponse composite hCOmp(t).
A l'étape 506, la partie linéaire de la réponse composite hCOmp(t) est extraite, ce qui fournit une fonction de transfert entre le point d'injection et le point de mesure, points qui sont considérés comme étant sensiblement identiques. Cette fonction de transfert lie ainsi un débit (connu) et une pression (mesurée) en un même point et correspond à l'impédance de l'ensemble du conduit mesuré et du dispositif de mesure (y compris le rayonnement).
A l'étape 508, l'impulsion de correction hcai calculée au moment de l'étape de calibrage (étape 400-406) peut être appliquée à cette impédance, ce qui fournit l'impédance de la cavité à mesurer. En variante, l'impédance de correction peut être appliquée au calcul du signal de débit (débit calibré) avant l'injection de la source de débit calibré à l'entrée de la cavité à caractériser.
Les modes de réalisation décrit ci-avant présentent notamment les avantages suivants :
- La mesure d'une fonction d'impédance acoustique en un point de l'espace, en module et en phase ;
- Un fonctionnement possible en régime saturé ;
- La possibilité d'injecter de fortes puissances ;
- Une flexibilité sur les conditions aux limites de rayonnement pour l'étape de calibrage ;
- la possibilité d'effectuer une mesure d'impédance sans nécessité d'assurer l'étanchéité du dispositif de mesure avec la cavité à mesurer ; et
- un coût peu élevé.
En particulier, contrairement aux solutions classiques de mesures d'impédance, les modes de réalisation de l'invention permettent d'envoyer une quantité très importante d'énergie dans la cavité à caractériser, sans se préoccuper des phénomènes de saturation. C'est un autre avantage de l'invention de fournir la réponse complète du conduit, à savoir une information tant en module qu'en phase. L'invention peut être par exemple utilisée pour détecter des résonances du conduit vocal d'un locuteur ou d'un chanteur. Pour détecter les pics de résonances, le module et/ou la phase de l'impédance acoustique peuvent être utilisés. En effet, à chaque résonance correspond un maximum au niveau du module ainsi qu'un décrochement au niveau de la phase.
La figure 6 représente l'évolution du module et de la phase de l'impédance en fonction de la fréquence, selon un exemple de réalisation. La détection de résonance peut être effectuée en détectant les maximas du module de l'impédance acoustique à partir d'une telle courbe et/ou en tenant compte des informations de phase de l'impédance acoustique. Pour caractériser les résonances, les caractéristiques de chaque pic détecté peuvent être ensuite analysées. Le dispositif peut s'appliquer à la mesure pendant la production d'un son vocal ou pendant le jeu de l'instrument. La courbe d'impédance peut alors présenter des maximas locaux de faible amplitude aux harmoniques du son vocal ou instrumental. Ces maximas harmoniques présents sur la courbe d'impédance peuvent être supprimés par traitement du signal.
Les modes de réalisation de l'invention permettent ainsi de mesurer l'impédance de cavité en temps réel, même en cas de mobilité : Ils permettent une mesure en temps réel dans la dynamique d'une cavité, ce qui est particulièrement avantageux pour les conduits mobiles (voix, instruments à vent).
L'homme du métier comprendra que le procédé de mesure d'impédance peut être mis en œuvre de diverses manières par matériel (« hardware »), logiciel, ou une combinaison d'éléments matériels et de logiciels. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-avant à titre d'exemple non limitatif. Elle englobe toutes les variantes de réalisation qui pourront être envisagées par l'homme du métier. En particulier, l'invention n'est pas limitée à un type particulier de transducteur électroacoustique, de tube d'injection, de microphone. Elle n'est pas non plus limitée à une forme particulière d'adaptateur d'impédance et peut s'appliquer par exemple à un adaptateur ayant un cône linéaire ou un cône exponentiel. Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée à un type de cavité particulière et peut s'appliquer plus généralement à tout type de cavité ayant des propriétés acoustiques de résonance.
L'invention n'est pas non plus limitée aux applications de mesure de résonances mentionnées ci-avant. Elle peut être utilisée par exemple dans tout type de laboratoire d'acoustique sans limitation à l'acoustique musicale, pour des mesures d'impédances acoustiques de cavité. Bien que non limitée à de telles applications, l'invention a un avantage particulier pour mesurer le comportement formantique du conduit vocal pour des applications dans le domaine de la parole silencieuse (« Silent Speech ») et plus largement de l'analyse de la parole (e.g. applications pour les laboratoires de phonétique et de parole ainsi que pour les orthophonistes). Elle offre notamment une solution à la fois simple et efficace pour mesurer l'impédance acoustique d'objets de grandes dimensions tel que des lignes d'échappement ou des tuyères, objet dont les propriétés acoustiques sont fortement contrôlées.

Claims

Revendications
1 . Procédé pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité (30) par injection d'un débit en un point donné à l'intérieur de la cavité (30) ou en entrée de la cavité (30) au moyen d'un dispositif d'injection (20), le procédé comprenant les étapes suivantes, pour chaque mesure d'impédance :
- injecter (500) un signal excitateur x(t) sous la forme d'un débit au point donné de la cavité pendant une durée temporelle finie, et enregistrer la réponse y(t) de la cavité au débit injecté au moyen d'un microphone (6) agencé sensiblement au niveau dudit point donné, ce qui fournit la pression audit point donné,
- appliquer une fonction de calcul d'impédance pour calculer l'impédance acoustique de la cavité (30) audit point donné à partir de la pression enregistrée, la fonction de calcul d'impédance mettant en œuvre les étapes suivantes :
o convoluer la réponse enregistrée y(t) avec un signal x'(t) calculé à partir du signal excitateur x(t), ce qui fournit un signal composite hcomp(t) comprenant la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système défini entre le signal x(t) et la réponse enregistrée y(t), et
o extraire la partie linéaire du signal composite hcomp(t), ce qui fournit l'impédance acoustique de la cavité.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le signal composite comprend en outre les réponses impulsionnelles des distorsions harmoniques.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape préalable de calibrage pour mesurer la fonction de transfert du dispositif d'injection (20), ladite étape de calibrage comprenant les étapes consistant à :
injecter le signal excitateur x(t) sous la forme d'une source de débit en un point de référence situé dans l'espace ouvert ou au niveau d'une surface plane à l'extérieur de la cavité,
- enregistrer la pression audit point de référence, et
appliquer ladite fonction de calcul d'impédance à la réponse enregistrée au point de référence, ce qui fournit une impédance de correction, et en ce que chaque mesure d'impédance au point donné de la cavité comprend l'application de l'impédance de correction à la valeur de pression enregistrée (508) au point donné de la cavité (30).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le point donné de la cavité est situé au niveau de l'entrée de la cavité (30).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'extraction de la partie linéaire de hcomp(t) comprend l'application d'un fenêtrage temporel choisi au signal enregistré.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fenêtrage est adapté pour extraire la partie de la réponse composite hcomp(t) située dans l'intervalle [T, 2T].
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal excitateur est un sinus glissant à fréquence instantanée exponentielle (SIGFIE).
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal excitateur est synthétisé par un dispositif informatique (10) équipé d'une carte son, et en ce que le dispositif d'injection (20) comprend :
- un amplificateur (2) pour amplifier le signal synthétisé,
- une chambre de compression (3) pour générer un signal de pression acoustique à partir du signal amplifié,
- un adaptateur d'impédance (4) pour transformer un signal de pression en un signal de débit acoustique, et
- un tube d'injection (5) positionné en sortie de l'adaptateur d'impédance (4) de manière à amener la source de débit acoustique au niveau du point d'injection.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité est un conduit vocal.
10. Système (100) pour mesurer l'impédance acoustique d'une cavité (30) comprenant un dispositif d'injection (20) configuré pour injecter un débit en un point donné de la cavité (30), caractérisé en ce que, pour chaque mesure d'impédance, le dispositif d'injection est configuré pour injecter un signal excitateur x(t) sous la forme d'un débit en un point donné de la cavité (500), le système comprenant en outre :
- un microphone (6), pour enregistrer la réponse y(t) de la cavité au débit injecté, ce qui fournit la pression audit point donné,
- un dispositif informatique comprenant une fonction de calcul d'impédance pour calculer l'impédance acoustique de la cavité (30) audit point donné à partir de la pression enregistrée, ladite fonction de calcul d'impédance mettant en œuvre les étapes suivantes :
o convoluer la réponse enregistrée y(t) avec un signal x'(t) calculé à partir du signal excitateur x(t), ce qui fournit un signal composite hcomp(t) comprenant la réponse impulsionnelle de la partie linéaire du système défini entre le signal x(t) et la réponse enregistrée y(t), et
o extraire la partie linéaire du signal composite hcomp(t), ce qui fournit l'impédance acoustique de la cavité.
1 1 . Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le signal composite comprend en outre les réponses impulsionnelles des distorsions harmoniques.
12. Système selon l'une des revendications 10 et 1 1 , caractérisé en ce qu'il est en outre configuré pour appliquer la fonction de calcul d'impédance au signal mesuré en réponse à l'injection d'un signal excitateur x(t) sous la forme d'une source de débit en un point de référence situé dans l'espace ouvert ou au niveau d'une surface plane à l'extérieur de la cavité, ce qui fournit une impédance de correction correspondant à l'impédance acoustique induite par le dispositif d'injection (20), et en ce que le système est configuré pour appliquer ladite fonction de calcul d'impédance à la réponse enregistrée au point de référence, ce qui fournit une valeur de pression enregistrée (508), chaque mesure d'impédance au point donné de la cavité comprenant l'application de l'impédance de correction à la valeur de pression enregistrée (508) au point donné de la cavité (30).
13. Système selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ledit dispositif informatique est muni d'une carte son pour synthétiser le signal excitateur x(t), et en ce que le dispositif d'injection (20) comprend :
- un amplificateur (2) pour amplifier le signal excitateur synthétisé,
- un transducteur électroacoustique (3) pour générer un signal de pression acoustique à partir du signal amplifié,
- un adaptateur d'impédance (4) pour transformer un signal de pression en un signal de débit acoustique, et
- un tube d'injection (5) positionné en sortie de l'adaptateur d'impédance (4) de manière à amener la source de débit acoustique au niveau du point d'injection.
14. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'extraction de la partie linéaire de hcomp(t) comprend l'application d'un fenêtrage temporel choisi au signal enregistré.
15. Système selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le signal excitateur est un sinus glissants à fréquence instantanée exponentielle (SIGFIE).
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