FR3020231A1

FR3020231A1 - Enceinte sonore unidirectionnelle

Info

Publication number: FR3020231A1
Application number: FR1453563A
Authority: FR
Inventors: Philippe Robin; Ilan Kaddouch
Original assignee: AKOUSTIC ARTS
Current assignee: AKOUSTIC ARTS
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2015-10-23
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: US10129657B2; FR3020231B1; WO2015159037A1; US20170041718A1

Abstract

L'invention concerne une enceinte (10) acoustique comprenant: • un processeur de signal (14) adapté pour générer un signal électrique modulé à l'aide d'une porteuse d'une fréquence supérieure à 20 kHz ; • une source (24, 26) apte à produire des signaux ultrasonores à partir du signal électrique modulé et à diffuser lesdits signaux ultrasonores au travers d'un médium ; la porteuse étant choisie de sorte que les signaux acoustiques sont au moins partiellement produits au cours de la traversée du médium par les signaux ultrasonores. L'enceinte acoustique selon l'invention est remarquable en ce que la source comprend des groupes de transducteurs piézo-électriques (26) comprenant un dispositif tampon (24) couplé entre lesdits transducteurs et le processeur (14), le dispositif tampon (24) permettant la transmission du signal électrique modulé auxdits transducteurs et pour maintenir la tension observée aux bornes desdits transducteurs égale à la tension observée à la sortie du processeur (14).

Description

La présente invention se rapporte au domaine des enceintes sonores unidirectionnelles. Elle concerne plus particulièrement les enceintes acoustiques directionnelles, comprenant des moyens d'émission d'un faisceau sonore créé par la diffusion dans l'espace d'ultrasons dont la diffusion dans l'espace est linéaire.

Dans le domaine des enceintes acoustiques, la maitrise de la directivité du diagramme de rayonnement des sources sonores est un paramètre important, notamment pour permettre des usages dans lesquels le cône de perception - c'est-à-dire la zone typiquement conique dans laquelle un auditeur perçoit un signal acoustique dont le niveau est atténué de moins de 50% par rapport au niveau maximal - doit avoir un angle inférieur à 50°. En particulier, de telles enceintes trouvent des applications lorsqu'un son doit être diffusé à destination d'une seule personne ou d'un nombre réduit de personnes, sur une zone limitée et/ou à distance des enceintes. Il peut s'agir notamment de la diffusion de messages dans un lieu public ou un espace particulier, de la diffusion d'informations, dans un moyen de transport ou à domicile par exemple, lorsqu'une personne doit pouvoir entendre un son sans que les autres personnes à proximité immédiate ne le perçoivent. Une technologie connue pour atteindre ces objectifs est l'utilisation, dans une enceinte acoustique, de sources ultrasons, diffusant de manière linéaire, un signal modulé résultant de la modulation d'un signal sonore par une porteuse ultrason, ledit signal modulé étant à nouveau audible par un être humain lors de sa traversée d'un médium non linéaire - ici, l'air du cône de perception. En effet, le médium se comporte alors comme un démodulateur du signal modulé. La diffusion dans l'espace d'ultrasons étant sensiblement linéaire, la directivité d'une telle enceinte s'avère particulièrement élevée, et permet typiquement d'obtenir un cône de perception dont l'angle est sensiblement de 30°. Le document de brevet US 6 778 672 décrit par exemple l'utilisation d'une telle enceinte dans un système de divertissement pour véhicule. Les enceintes acoustiques connues mettant en oeuvre ces principes emploient une matrice de transducteurs piézo-électriques, qui, à partir d'un signal électrique d'entrée, produisent des ultrasons, diffusés de manière linéaire dans l'air. Le signal électrique d'entrée est obtenu en modulant en fréquence ou en amplitude un signal sonore à l'aide d'un processeur de signal, généralement désigné par l'acronyme anglo-saxon "DSP" pour "Digital Signal Processor", en amplifiant le signal modulé à l'aide d'un amplificateur de puissance externe, et en routant le signal modulé amplifié vers l'ensemble des transducteurs piézo-électriques. Typiquement, l'intensité du courant dans la carte mettant en oeuvre le processeur de signal et la matrice de transducteurs piézo-électriques atteint 2 ampères. Or, l'énergie thermique ainsi produite, en particulier au niveau des transducteurs piézo-électriques excités par le signal modulé amplifié, est importante et doit donc être dissipée. En outre, l'amplificateur externe alimentant les transducteurs piézo-électriques doit être équipé de dispositifs de dissipation thermique, tels que des ventilateurs, augmentant ainsi le volume occupé et le poids de cet équipement. De plus, l'amplificateur ne pouvant être directement intégré aux autres composants, il est nécessaire de proposer un module séparé externe, ce qui complexifie l'intégration du système et s'avère peu pratique. C'est pourquoi il existe un besoin pour une enceinte acoustique directionnelle, comprenant une matrice de sources ultrasons pour émettre un signal modulé et amplifié, à l'aide notamment de moyens d'amplifications intégré de taille et poids réduits assurant une dissipation satisfaisante de l'énergie thermique générée par les sources ultrasons. Un des objets de l'invention est de fournir une enceinte acoustique directionnelle comprenant des moyens intégrés d'amplifications pour alimenter des sources ultrasonores. Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens d'amplifications pour une enceinte acoustique directionnelle de taille et/ou de poids réduits. Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens d'amplifications pour une enceinte acoustique directionnelle assurant une répartition thermique homogène et une dissipation satisfaisante de l'énergie thermique générée par les sources d'ultrasons. Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens d'amplifications pour une enceinte acoustique directionnelle ne nécessitant pas de moyens de dissipation thermique actifs. Un autre objet de l'invention est de fournir une enceinte acoustique directionnelle dont les moyens d'amplifications ne sont pas externes. Un ou plusieurs de ces objets sont remplis par le dispositif selon la revendication indépendante. Les revendications dépendantes fournissent en outre des 25 solutions à ces objets et/ou d'autres avantages. Plus particulièrement, selon un premier aspect, l'invention se rapporte à une enceinte acoustique adaptée pour convertir un signal électrique d'entrée représentant des informations sonores, en signaux acoustiques. L'enceinte comprend : - au moins un processeur de signal adapté pour générer, sur une 30 sortie, à partir du signal électrique d'entrée, un signal électrique modulé à l'aide d'une porteuse d'une fréquence sensiblement supérieure à 20 kHz ; - au moins une source apte à produire des signaux ultrasonores à partir du signal électrique modulé et à diffuser lesdits signaux 35 ultrasonores au travers d'un médium. La porteuse est choisie de sorte que les signaux acoustiques sont au moins partiellement produits au cours de la traversée du médium par les signaux ultrasonores. La source comprend des groupes d'au moins deux transducteurs piézo- électriques. Chaque groupe comprend un dispositif tampon couplé entre lesdits au moins deux transducteurs piézo-électriques du groupe et le processeur de signal. Le dispositif tampon de chaque groupe est adapté pour permettre la transmission du signal électrique modulé auxdits au moins deux transducteurs piézo-électriques du groupe et pour maintenir la tension observée aux bornes desdits au moins deux transducteurs piézo-électriques du groupe sensiblement égale à la tension observée à la sortie du processeur de signal. Les signaux acoustiques sont notamment des signaux audibles par un être humain dont le spectre s'étend typiquement entre 20 Hz et 20 kHz.

On qualifie de signaux ultrasonores les sons dont la fréquence est supérieure à 20 kHz. Les transducteurs piézo-électriques, en particulier lorsque ces derniers sont excités par un signal modulé en amplitude, émettent une énergie thermique importante, qu'il convient de dissiper. Contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, l'enceinte selon l'invention ne nécessite pas l'usage d'un amplificateur externe, équipé de moyens actifs de refroidissement, pour alimenter les transducteurs. Ainsi, en utilisant en sortie du processeur de signal, des dispositifs tampons de type analogique, et avantageusement des dispositifs tampons comprenant des moyens d'amplification de classe de fonctionnement A ou AB, alimentant au moins deux, et par exemple cinq, transducteurs piézo-électriques, il est possible de disposer d'une carte électronique comprenant les transducteurs reliés aux dispositifs tampons analogiques. Cette configuration permet de s'affranchir de la présence d'un amplificateur externe encombrant, tout en assurant une dissipation satisfaisante de l'énergie thermique générée par les transducteurs.

Le dispositif tampon de chaque groupe comprend par exemple des moyens d'amplification de classe de fonctionnement A et/ou A-B. Le dispositif tampon de chaque groupe peut comprendre au moins un amplificateur opérationnel monté en suiveur de tension, en mode linéaire et ayant un gain en tension unitaire.

Dans un mode de réalisation, le dispositif tampon de chaque groupe comprend deux amplificateurs opérationnels montés en pont. Ainsi, l'utilisation d'un montage en pont permet d'augmenter significativement la tension effective aux bornes des transducteurs piézo-électriques, et donc de disposer de plus de puissance. La porteuse utilisée par le processeur de signal pour générer le signal 35 électrique modulé peut être une porteuse à modulation d'amplitude, une porteuse à modulation de fréquence, ou une porteuse à modulation de largeur d'impulsions. La porteuse utilisée par le processeur de signal pour le signal électrique modulé a par exemple typiquement une fréquence d'au moins 40 kHz.

Avantageusement, le processeur de signal comprend un étage d'amplification configuré pour adapter la tension du signal modulé à un deuxième niveau nominal, en amont des dispositifs tampons. Avantageusement, un amplificateur peut être disposé en aval du processeur de signal, et configuré pour adapter la tension du signal électrique d'entrée à un premier niveau nominal. Il est ainsi possible de mettre à niveau électrique d'entrée, par exemple un signal issu de la sortie casque d'un baladeur stéréo, en l'amplifiant en tension pour s'adapter au niveau nominal d'entrée du processeur de signal. Cette mise à niveau permet d'obtenir un rapport signal/bruit optimal au niveau du processeur de signal. Les signaux acoustiques sont par exemple produits dans une zone sensiblement conique dont le sommet est situé au centre de la source et dans laquelle un auditeur perçoit un signal acoustique dont le niveau est atténué de moins de 50% par rapport à un niveau maximal du signal acoustique, et dont l'angle est inférieur à 50°, par exemple 30°. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront, dans la description ci-après de modes de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'une enceinte acoustique unidirectionnelle, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un schéma représentant le cône de perception de l'enceinte acoustique unidirectionnelle ; - la figure 3 est un schéma de principe, d'un groupe comprenant 5 transducteurs piézo-électriques et un dispositif tampon de type structure en pont, selon un mode de réalisation ; - la figure 4 est un schéma d'une matrice formée par des transducteurs piézo-électriques, selon un mode de réalisation.

La figure 1 illustre par un schéma de principe une enceinte 10 acoustique unidirectionnelle, selon un mode de réalisation de l'invention. L'enceinte 10 est notamment adaptée pour convertir un signal SIG électrique représentant des informations sonores, reçu en entrée, en signaux AC acoustiques audibles par un être humain dont le spectre s'étend typiquement entre 20 Hz et 20 kHz. L'enceinte 10 est en outre dite unidirectionnelle. Comme représenté sur la figure 2, on entend par unidirectionnelle une enceinte dont les signaux acoustiques sont produits dans un cône de perception dont l'angle a est inférieur à 50° et dont l'axe AA passe par le centre de la source sonore de ladite enceinte. On appelle cône de perception d'un signal acoustique, une zone, typiquement conique dont le sommet est situé au centre de la source sonore de l'enceinte, dans laquelle un auditeur perçoit un signal acoustique dont le niveau est atténué de moins de 50% par rapport au niveau maximal du signal acoustique.

L'enceinte 10 peut en particulier utiliser une source d'ultrasons. Le cadre théorique décrivant la technologie employée est notamment décrit dans les documents suivants: - Pompei, F. Joseph (September 1999), "The use of airborne ultrasonics for generating audible sound beams". Journal of the Audio Engineering Society 47 (9): 726-731 ; - Westervelt, P. J. (1963). "Parametric acoustic array". Journal of the Acoustical Society of America 35 (4): 535-537 ; - Bellin, J. L. S.; Beyer, R. T. (1962). "Experimental investigation of an end-fire array". Journal of the Acoustical Society of America 34 (8): 1051-1054. On qualifie d'ultrasons les sons dont la fréquence est supérieure à 20 kHz. La source d'ultrasons de l'enceinte 10 est adaptée pour diffuser de manière linéaire, le long de l'axe AA, un signal modulé MOD résultant de la modulation du signal SIG par une porteuse P ultrason. Lorsque le signal modulé MOD traverse le médium, ce dernier agit comme un démodulateur sur le signal modulé MOD: le signal acoustique AC audible par un être humain est alors produit. La diffusion dans l'espace d'ultrasons étant sensiblement linéaire, la directivité de l'enceinte s'avère particulièrement élevée, et permet typiquement d'obtenir un cône de perception dont l'angle a est sensiblement égal à 30°. Plus particulièrement, un modèle décrivant la démodulation du signal modulé MOD par le médium peut être décrit par l'expression mathématique suivante: az Pz (x, t) = K. 13,2' -at2E2 (x, t) avec - p2 (x, t) l'onde acoustique audible secondaire de pression, correspondant au signal acoustique AC, résultant de la démodulation du signal modulé MOD par le médium ; - K, un paramètre fonction de paramètres physiques ; - /3, le niveau de pression acoustique ou "Sound pressure level" en anglais, du signal modulé MOD ; - E (x, t) la fonction enveloppe de la porteuse P.

La porteuse P ultrason, décrite par la fonction enveloppe E (x,t), peut être une porteuse de type modulation de fréquence, modulation de largeur d'impulsions, plus communément désignée par l'acronyme anglo-saxon "PWM" pour "Pulse Width Modulation", ou encore modulation d'amplitude.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, l'enceinte 10 acoustique unidirectionnelle comporte une entrée pour recevoir le signal électrique SIG, un amplificateur 12, un processeur de signal 14, des dispositifs tampons 24 et des transducteurs piézo-électriques 26. Le signal électrique SIG représente des informations sonores sous la 10 forme d'un signal électrique. Il peut en particulier être délivré par une source audio, par exemple sur la sortie casque d'un baladeur audionumérique, sur la sortie ligne ou sur des connecteurs RCA d'un lecteur de cédérom. L'amplificateur 12 est configuré pour adapter la tension du signal SIG à un niveau nominal N1. Plus particulièrement, le niveau nominal N1 est égal au niveau 15 nominal en tension d'entrée du processeur de signal 14. Typiquement, le niveau nominal N1 est de l'ordre de 2V crête à crête. Cette mise à niveau du signal SIG permet d'obtenir un rapport signal/bruit optimal au niveau du processeur de signal 14. Le processeur de signal 14 est adapté pour générer, à partir du signal SIG mis à niveau par l'amplificateur 12, le signal modulé MOD par la porteuse P. Le 20 processeur de signal 14 est adapté pour le traitement de données audionumériques. Par exemple, un processeur de traitement numérique, généralement désigné par l'acronyme anglo-saxon "DSP" pour "Digital Signal Processor", peut être employé. Le processeur de signal 14 comprend un étage de conversion analogique numérique 16 de sorte à numériser le signal SIG mis à niveau par l'amplificateur 12. Le processeur de 25 signal 14 comporte en outre un module de calcul 18 numérique. À titre d'exemple, le module de calcul 18 peut comprendre des unités de calcul de type "multiplication-accumulation" aptes à traiter 16 données codées sur 16 bits par cycle d'horloge, et délivrées une vitesse de calcul de 100 Mips. Le module de calcul 18 est configuré pour mettre en oeuvre un programme pour moduler le signal SIG numérisé en utilisant la 30 porteuse ultrasons E (x, t) . Plus particulièrement, le module de calcul 18 peut être configuré pour synthétiser numériquement la porteuse ultrason à modulation d'amplitude à une fréquence de 40 kHz, et moduler le signal SIG numérisé avec ladite porteuse ultrason. Le processeur de signal 14 comprend un étage de conversion numérique analogique 20 de sorte à transposer le signal modulé numérique dans le 35 domaine analogique. Le processeur de signal 14 comprend un étage d'amplification 22 configuré pour adapter la tension du signal modulé à un niveau nominal N2. Plus particulièrement, le niveau nominal N2 est choisi en fonction des caractéristiques électriques des dispositifs tampons 24. Typiquement, le niveau nominal N2 est de l'ordre de 24V crête à crête. Le processeur de signal 14 délivre en sortie un signal modulé MOD dans le domaine analogique. La source sonore de l'enceinte 10 comprend une matrice formée par les transducteurs piézo-électriques 26, telle qu'illustrée par la figure 4. Les transducteurs piézo-électriques 26 permettent de convertir un signal électrique reçu en entrée en ondes acoustiques ultrasonores. Dans le mode de réalisation de la figure 4, 200 transducteurs piézo-électriques 26 sont utilisés. Les transducteurs piézo-électriques 26 de la matrice sont répartis en groupes, chaque groupe comprenant un nombre n de transducteurs piézo-électriques et un dispositif tampon 24. Un tel groupe, comprenant 5 transducteurs piézo-électriques 26 et un dispositif tampon 24 de type structure en pont, est illustré dans l'exemple de la figure 3. Le nombre n de transducteurs piézoélectriques 26 est en particulier déterminé par les caractéristiques électriques des dispositifs tampons et des transducteurs piézo-électriques 26, en particulier la capacité supportée par chaque dispositif tampon 24. Pour chaque groupe, les transducteurs piézo-électriques 26 sont couplés au dispositif tampon en parallèle. Pour chaque groupe, le dispositif tampon 24 est couplé au processeur de signal 14 de sorte à recevoir le signal modulé MOD dans le domaine analogique. Pour chaque groupe, le dispositif tampon 24 est un dispositif de tampon agissant en tension sur le signal modulé MOD sans toutefois sensiblement le modifier, et permettant notamment d'adapter l'impédance entre la sortie du processeur de signal 14 et les transducteurs piézo-électriques 26. Typiquement, le dispositif tampon 24 peut comprendre au moins un amplificateur opérationnel monté en suiveur, ayant un gain en tension unitaire et un gain en courant élevé. Ainsi, la tension observée en sortie de chaque dispositif tampon 24 est sensiblement égale à la tension observée en entrée, à la sortie du processeur de signal 14. L'impédance observée en sortie de chaque dispositif tampon 24 est très inférieure à l'impédance en entrée. De préférence, le dispositif tampon 24 comprend des moyens d'amplification de classe de fonctionnement A ou AB, configuré pour fonctionner en mode linéaire. Les composants du dispositif tampon 24, et en particulier l'amplificateur opérationnel, permettent notamment de délivrer un courant de sortie supérieur à 65mA, et sont adaptés pour supporter des charges capacitives environ égales à 10nF introduites par les transducteurs piézo-électriques 26. Dans un mode de réalisation avantageux, illustré sur la figure 3, chaque dispositif tampon 24 comprend deux amplificateurs opérationnels montés en pont, permettant notamment de délivrer aux bornes des transducteurs piézo-électriques 26 du groupe un signal dont la tension est doublée par rapport à la tension du signal en entrée. Ainsi, à tension d'entrée constante, il est possible de délivrer plus de puissance aux bornes des transducteurs piézo-électriques 26. À titre d'exemple, en utilisant une alimentation de 24V continu pour alimenter le dispositif tampon 24, les deux amplificateurs opérationnels montés en pont montage permettent de délivrer aux bornes des transducteurs piézo-électriques 26 du groupe une tension sinusoïdale théorique de 48 V crête hors pertes, soit sensiblement entre 10 et 16Veff. Il est alors possible d'optimiser et/ou de maximiser la puissance reçus par les transducteurs piézo-électriques 26 et/ou de s'approcher de la performance maximale de ces derniers. Un amplificateur opérationnel adapté pour être utilisé dans un tel dispositif tampon 24 est par exemple l'amplificateur opérationnel de référence LM7321 produit par Texas InstrumentTM, ladite référence correspondant à des amplificateurs ayant notamment la caractéristique d'être extrêmement compacts, typiquement inférieure à 1cm2.

Claims

REVENDICATIONS1. Enceinte (10) acéustique adaptée pour convertir un signal électrique d'entrée, représentant des informations sonores, en signaux acoustiques, ladite 5 enceinte comprenant : - au moins un processeur de signal (14) adapté pour générer, sur une sortie, à partir du signal électrique d'entrée, un signal électrique modulé à l'aide d'une porteuse d'une fréquence sensiblement supérieure à 20 kHz ; 10 - au moins une source (24, 26) apte à produire des signaux ultrasonores à partir du signal électrique modulé et à diffuser lesdits signaux ultrasonores au travers d'un médium ; la porteuse étant choisie de sorte que les signaux acoustiques sont au moins partiellement produits au cours de la traversée du médium par les signaux 15 ultrasonores, ladite enceinte étant caractérisée en ce que la source comprend des groupes d'au moins deux transducteurs piézo-électriques (26), chaque groupe comprenant un dispositif tampon (24) couplé entre lesdits au moins deux transducteurs piézoélectriques du groupe et le processeur de signal (14), le dispositif tampon (24) de 20 chaque groupe étant adapté pour permettre la transmission du signal électrique modulé auxdits au moins deux transducteurs piézo-électriques du groupe et pour maintenir la tension observée aux bornes desdits au moins deux transducteurs piézoélectriques du groupe sensiblement égale à la tension observée à la sortie du processeur de signal (14). 25
2. Enceinte selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif tampon (24) de chaque groupe comprend des moyens d'amplification de classe de fonctionnement A et/ou AB. 30
3. Enceinte selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le dispositif tampon (24) de chaque groupe comprend au moins un amplificateur opérationnel monté en suiveur de tension, en mode linéaire et ayant un gain en tension unitaire. 35
4. Enceinte selon la revendication 3, dans laquelle le dispositif tampon (24) de chaque groupe comprend deux amplificateurs opérationnels montés en pont.
5. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la porteuse utilisée par le processeur de signal pour générer le signal électrique modulé est une porteuse à modulation d'amplitude.
6. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la porteuse utilisée par le processeur de signal pour générer le signal électrique modulé est une porteuse à modulation de fréquence.
7. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la porteuse utilisée par le processeur de signal pour générer le signal électrique modulé est une porteuse à modulation de largeur d'impulsions.
8. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans 15 laquelle la porteuse utilisée par le processeur de signal pour le signal électrique modulé a une fréquence d'au moins 40 kHz.
9. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le processeur de signal (14) comprend un étage d'amplification (22) configuré 20 pour adapter la tension du signal modulé à un deuxième niveau nominal, en amont des dispositifs tampons (24).
10. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un amplificateur (12), disposé en aval du processeur de signal (14), et 25 configuré pour adapter la tension du signal électrique d'entrée à un premier niveau nominal.
11. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle les signaux acoustiques sont produits dans une zone sensiblement conique 30 dont le sommet est situé au centre de la source et dans laquelle un auditeur perçoit un signal acoustique dont le niveau est atténué de moins de 50% par rapport à un niveau maximal du signal acoustique, et dont l'angle est inférieur à 500.