On désire souvent protéger certains volumes vis-à-vis des bruits engendrés à l'extérieur de ces volumes.

Les volumes en question sont notamment ceux destinés à être occupés par la tête d'un individu, notamment en position assise ou en position couchée : lorsque la protection acoustique désirée est obtenue, l'individu concerné est à l'abri des agressions acoustiques extérieures tant que sa tête demeure placée à l'intérieur d'un tel volume.

Pour assurer une telle protection acoustique, il a déjà été proposé d'interposer entre les volumes en question et l'extérieur de ceux-ci des cloisons phoniquement isolantes.

L'isolation obtenue par de telles cloisons est limitée et les obstacles physiques matérialisés par lesdites cloisons sont souvent rédhibitoires.

Il a également été proposé de neutraliser certains sons reçus par de tels volumes en appliquant sur lesdits volumes des "contre-bruits" d'amplitude identique et de phase opposée à celles desdits sons. Le document GB-A-2 191 063 divulgue un tel dispositif.

Mais jusqu'à ce jour, ce type de neutralisation, désignée parfois sous le nom d'atténuation active, n'a conduit à des résultats encourageants que pour des sons sinusoïdaux relativement purs et transmis directement depuis leur source au volume à protéger.

En particulier, les bruits aléatoires n'ont pu être traités correctement de la sorte et, lorsque les volumes considérés se trouvent à l'intérieur de locaux, délimités latéralement par des cloisons, inférieurement par un plancher et supérieurement par un plafond, on n'est guère parvenu jusqu'à ce jour à maîtriser les phénomènes de réflexion ou réverbération des bruits à neutraliser sur les différentes parois délimitant lesdits locaux ainsi que sur les autres obstacles, tels que les meubles, présents dans ces locaux.

L'invention telle qu'elle est définie dans les revendications a pour but, surtout de remédier à l'ensemble de ces inconvénients en permettant de protéger un volume disposé à l'intérieur d'un local vis-à-vis des bruits de toute nature produits extérieurement à ce local, et en particulier à partir de certaines directions privilégiées correspondant par exemple à des fenêtres.

A cet effet, les dispositifs de protection acoustique de volumes limités selon l'invention sont essentiellement caractérisés en ce qu'ils comprennent, d'une part, disposées respectivement à deux distances distinctes A et B d'une même batterie fictive réticulée définissant des points i disposés dans le volume à protéger acoustiquement, une batterie de capteurs acoustiques (microphones) recevant les bruits à neutraliser E_j(t) et une batterie de sources acoustiques (haut-parleurs), la distance B étant inférieure à la distance A, et d'autre part, un circuit électronique interposé entre lesdits capteurs et lesdites sources et agencé de façon à élaborer, en des temps inférieurs à $\frac{\text{A-B}}{\text{v}}$ , v étant la vitesse du son dans l'air, pour chaque bruit E_j(t), une pluralité de signaux S_k(t) qui sont appliqués instantanément, respectivement, sur les sources, chaque signal S_k(t) étant égal à :    formule dans laquelle :

• chaque fonction f_ji(t) est identique à la fonction réciproque f_ij(t) qui est la réponse impulsionnelle, préalablement déterminée et enregistrée, correspondant au bruit engendré sur le capteur d'indice j de la batterie de capteurs ci-dessus par l'émission d'une courte impulsion acoustique à partir d'une source supposée placée au point i,
• et chaque fonction g_ik(-t) est élaborée à partir de la fonction g_ik(t) qui est elle-même identique à la fonction réciproque g_ki(t), laquelle est à son tour la réponse impulsionnelle, préalablement déterminée et enregistrée, correspondant au bruit engendré sur un capteur supposé placé au point i, à partir de l'émission d'une courte impulsion acoustique par la source d'indice k de la batterie de sources ci-dessus.

Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

• la détection des bruits E_j(t) nécessaire à l'élaboration des signaux S est effectuée par échantillonnage à une cadence correspondant sensiblement au huitième de la période la plus courte caractérisant les ondes sonores à traiter, c'est-à-dire à la fréquence la plus élevée de la gamme retenue pour la sensibilité des capteurs,
• le domaine des fréquences auxquelles sont sensibles les capteurs est compris entre 10 et 10 000 Hz,
• le nombre des éléments acoustiques composant chacune des batteries est égal à plusieurs dizaines, étant notamment de l'ordre de 50 à 100, et les distances qui séparent entre eux ces éléments dans chaque batterie est de l'ordre du décimètre,
• la différence entre les distances A et B est de l'ordre de 1 mètre ;
• chaque signal S_k(t) est égal à :    formule dans laquelle h_jk(t) est une fonction préalablement déterminée et enregistrée égale à :

L'invention vise également les batteries d'éléments acoustiques spécialement conçues pour équiper les dispositifs ci-dessus ainsi que les procédés pour déterminer les réponses impulsionnelles f_ij(t) et g_ki(t) qui sont utilisées pour l'élaboration des signaux S.

Ces procédés sont essentiellement caractérisés selon l'invention en ce que l'on dispose à proximité du volume à protéger acoustiquement, de façon à définir une partie au moins de ce volume, une batterie réticulée définissant une pluralité de points i en lesquels on place :

• dans un premier temps, des sources acoustiques, les réponses f_ij(t) étant alors déterminées au niveau des capteurs permanents ci-dessus lors de l'émission d'impulsions acoustiques courtes par lesdites sources,
• et dans un deuxième temps, des capteurs acoustiques, les réponses g_ki(t) étant alors déterminées au niveau de ces capteurs lors de l'émission d'impulsions acoustiques courtes par les sources permanentes ci-dessus.

Dans l'un au moins des deux ensembles sources-capteurs utilisés respectivement au cours des deux "temps" successifs des procédés ci-dessus définis, on pourrait permuter les rôles et emplacements respectifs des sources et des capteurs.

Dans le cas où l'usage de la fonction h_jk(t) ci-dessus est prévu, on procède en outre à une étape préalable d'élaboration et d'enregistrement de cette fonction h_jk(t).

L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après.

Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative.

La figure 1, de ce dessin, montre très schématiquement un local équipé d'un dispositif propre à protéger des bruits extérieurs un volume limité de ce local.

La figure 2 est un schéma du circuit électronique compris par ce dispositif.

On se propose de protéger vis-à-vis de bruits aléatoires E schématisés par la flèche 1 un volume 2 relativement limité disposé dans un local 3 délimité latéralement par des cloisons 4, inférieurement par un plancher et supérieurement par un plafond.

Les bruits E sont par exemple ceux qui proviennent de l'extérieur du local à travers une fenêtre 5 ouverte ou fermée.

Le volume 2 présente par exemple la forme d'une sphère ou d'un cylindre de révolution dont le diamètre est de l'ordre de 1 mètre et dont la portion centrale est destinée à être occupée par la tête d'une personne que l'on désire isoler des bruits E, cette personne étant par exemple assise devant un bureau ou couchée dans un lit.

Pour résoudre le problème posé, on a recours à la technique connue en soi de l'atténuation active qui consiste, pour protéger un point donné vis-à-vis des bruits gênants, à créer en ce point des contre-bruits opposés auxdits bruits et déterminés de façon telle que leur addition à ces bruits en ledit point produise en celui-ci une résultante nulle, c'est-à-dire supprime lesdits bruits.

Les réalisations qui ont été proposées dans ce domaine jusqu'à ce jour n'ont donné satisfaction que lorsque les deux conditions suivantes étaient remplies :

• constitution du bruit par un son sinusoïdal pur tel que celui émis par certains moteurs ou instruments de musique,
• propagation exclusive et directe dudit son depuis sa source jusqu'au point à protéger, sans réflexion ou réverbération de ce son sur des obstacles tels que les parois d'un local.

La présente invention se propose de résoudre le problème de l'atténuation, voire de la suppression, des bruits indésirables dans le volume 2 ci-dessus défini, et ce même si ces bruits sont aléatoires et s'ils sont réfléchis ou réverbérés par les parois 4 du local 3.

A cet effet, on procède de la façon suivante.

On interpose entre le volume 2 à protéger acoustiquement et la source des bruits E vis-à-vis desquels on désire assurer ladite protection deux "barrières" ou "batteries" 6 et 8 composées chacune d'éléments acoustiques distincts maintenus séparés les uns des autres par une ossature rigide (respectivement 7,9) ajourée vis-à-vis des sons.

Ces deux barrières ou batteries 6 et 8 sont écartées l'une de l'autre d'une distance moyenne A.

La première 6 de ces deux batteries définit un réseau réticulé, en général tridimensionnel, de points ou "noeuds" distincts i-1, i, i+1... occupant au moins en partie le volume 2 à protéger acoustiquement.

Les éléments acoustiques qu'elle comporte sont, dans un premier temps, des sources acoustiques (haut-parleurs ou autres) 10_i-1, 10_i, 10_i+1... qui sont localisées auxdits noeuds.

Pour ce qui est des éléments acoustiques compris par la seconde barrière 8, il s'agit de capteurs (microphones) 11_j-1, 11_j, 11_j+1... qui sont localisés en différents points ou "noeuds" j-1, j, j+1... de ladite barrière.

On détermine ensuite chacune des lois de réponse impulsionnelle en fonction du temps t f_ij(t) correspondant à chacun des bruits engendrés sur chaque capteur 11_j par l'émission d'une courte impulsion acoustique à partir de chaque source 10_i.

On rappelle ici le théorème de la réciprocité selon lequel la réponse impulsionnelle f_ij(t) telle que définie ci-dessus est exactement identique à la réponse impulsionnelle inverse f_ji(t) qui serait recueillie par des capteurs supposés disposés exactement aux mêmes emplacements i que les sources 10_i ci-dessus en réponse à l'émission de courtes impulsions acoustiques à partir de sources supposées disposées en les différents points j en remplacement des capteurs 11_j ci-dessus.

Cette réciprocité tient compte en particulier de toutes les réflexions ou réverbérations d'ondes acoustiques par les parois du local 3 ou par d'autres obstacles contenus dans ce local, tels que des meubles, réflexions qui sont schématisées sur le dessin par les traits R.

En application dudit théorème, on calcule le bruit résultant qui parviendrait à chacun des points i de la batterie 6 pour chaque bruit global donné E_j(t) reçu en chacun des points j.

Ce bruit résultant est le produit de convolution E_j(t)⊗f_ji(t).

On détermine alors le bruit total F_i(t) qui parviendrait en chacun des points i en réponse aux bruits E_j(t) reçus par l'ensemble des points j, bruits qui sont précisément ceux symbolisés par la flèche 1 ci-dessus.

Ce bruit total F_i(t) est égal à :

On remplace alors chacune des sources 10_i de la batterie 6 par des capteurs acoustiques 12_i disposés exactement en les mêmes emplacements i que ces sources.

On dispose sensiblement à une distance B de la zone médiane de la batterie 6, B étant une longueur inférieure à A, une troisième barrière ou batterie 13 du même genre que les précédentes : cette batterie 13 est constituée par une ossature rigide 14 maintenant écartées les unes des autres une pluralité de sources acoustiques 15_k-1, 15_k, 15_k+1... localisées en des points ou "noeuds" distincts k-1, k, k+1... de ladite ossature.

On détermine ensuite chaque réponse impulsionnelle g_ki(t) correspondant au bruit qui est engendré sur le capteur 12_i par l'émission d'une courte impulsion acoustique à partir de la source 15_k.

En vertu du théorème de la réciprocité rappelé ci-dessus, chaque fonction g_ki(t) est rigoureusement identique à la fonction réciproque g_ik(t).

Par conséquent, on peut dire que le bruit global G_k(t) qui serait créé en chacun des points k de la batterie 13 en réponse aux bruits F_i(t) supposés émis à partir des points i par des sources qui seraient localisées en ces points, serait égal à :

Cette formule est précieuse car elle permet de déterminer d'une manière extrêmement précise les bruits qui résulteraient, au niveau de la batterie 13, de la production des bruits F_i(t) au niveau des divers points i de la première batterie 6.

Or ces derniers bruits F_i(t) sont précisément ceux qui sont engendrés au niveau desdits points i par l'application sur le local 3 des bruits indésirables E_j(t) à neutraliser.

Pour élaborer les contre-bruits désirés, destinés à neutraliser toute nuisance des bruits incidents indésirables E_j(t) au niveau de ces points i, c'est-à-dire à annuler ou tout au moins fortement atténuer les bruits F_i(t) créés au niveau des points i à partir de ces bruits indésirables, il suffit :

• de remplacer comme variable dans la loi de réponse g_ik(t) qui intervient dans la formule II ci-dessus la variable (t) par la variable (-t),
• et d'appliquer l'opposé S_k(t) de chaque signal résultant sur les sources 15_k correspondantes.

Il se trouve en effet que, si l'on émet en chacun des points k des contre-signaux g_ik(-t), l'onde correspondante émise vers le point i se propage d'une manière exactement inverse de celle correspondant à l'émission d'une courte impulsion acoustique à partir dudit point i vers ledit point k, et cette onde vient donc se focaliser au point i en y reconstituant exactement ladite courte impulsion, malgré les déformations diverses des fronts d'ondes qui ont pu être occasionnées dans les deux sens par les différentes réflexions acoustiques dues aux parois et autres obstacles du local.

Plus précisément, le front d'onde inverse correspondant à ces contre-signaux occupe successivement les diverses positions qu'occupait dans le passé le front d'onde "direct" initial, le phénomène observé étant comparable à la projection d'un film cinématographique à l'envers.

Les signaux S_k(t) en question peuvent alors être considérés comme donnés par la formule ci-après :

L'application de ces signaux S_k(t) sur les sources 15_k permet d'engendrer au niveau des points i des contre-bruits C -ou C_i(t)- qui sont susceptibles d'annuler les bruits F_i(t) produits en ces points par les bruits indésirables E_j(t).

Le volume 2 demeure alors silencieux et inaccessible auxdits bruits E_j(t), quelles que soient leurs natures et intensités et quelles que soient les réflexions ou réverbérations subies par certaines de leurs composantes avant de parvenir audit volume.

Bien entendu, après avoir déterminé les lois de réponse impulsionnelle g_ki(t), on peut totalement supprimer la batterie 6, ce qui dégage complètement les abords du volume 2 acoustiquement isolé.

C'est là un important avantage de la présente invention.

Pour obtenir la neutralisation désirée de chaque bruit F_i(t), il convient que les contre-bruits C parviennent au niveau des points i en même temps que ces bruits.

C'est ici qu'intervient la différence entre les deux distances A et B séparant respectivement la batterie 6 des batteries 8 et 13.

On prend soin que cette différence soit suffisante pour que les contre-bruits puissent être élaborés électroniquement pendant le temps que les sons mettent pour parcourir la longueur A-B.

Il se trouve que, si cette longueur est de l'ordre du mètre, le temps résultant (3 millisecondes) est largement suffisant pour ladite élaboration électronique.

C'est là l'une des constatations originales qui ont permis la conception de la présente invention.

Les circuits électroniques en question ont été représentés par le rectangle 16 sur la figure 1.

Ils ont été un peu plus détaillés sur la figure 2 où l'on voit une unité de mémorisation et calcul 17 reliée :

• d'une part, à chacun des capteurs acoustiques 11₁ par une chaîne comprenant un amplificateur 18_j et un convertisseur analogique-numérique 19_j,
• et d'autre part à chacune des sources 15_k par une chaîne comprenant un convertisseur numérique-analogique 20_k et un amplificateur 21_k.

Dans la pratique, on n'exploite pas de façon continue les bruits E_j(t) qui sont enregistrés par les capteurs 11_j.

On procède par échantillonnage, à une cadence qui correspond sensiblement au huitième de la période la plus courte caractérisant les ondes sonores à traiter, c'est-à-dire à la fréquence la plus élevée de la gamme retenue pour la sensibilité des capteurs.

Le domaine des fréquences auxquelles sont sensibles les capteurs est avantageusement compris entre 10 Hz et 10 000 Hz.

Dans ces conditions, la fréquence la plus élevée étant de 10 kHz, qui correspond à une période de 100 microsecondes, la fréquence d'échantillonnage est égale à 80 kHz, ce qui correspond à un échantillonnage effectué toutes les 12 microsecondes.

Pour ce qui est des distances séparant les différents éléments acoustiques d'une même batterie ou barrière, on donne avantageusement à ces distances une valeur égale à la moitié de la longueur d'onde la plus petite de la gamme des fréquences concernées.

C'est ainsi que la distance en question peut être de l'ordre de 10 centimètres, ce qui assure une protection acoustique spécialement bonne par rapport aux composantes de basse fréquence des bruits à neutraliser : la longueur d'onde est en effet de 33 centimètres pour une fréquence de 1000 Hz.

Pour ce qui est du nombre des éléments acoustiques composant chacune des barrières ou batteries, ce nombre est égal à plusieurs dizaines, étant notamment de l'ordre de 50 à 100.

Les produits de convolution, de ces différents nombres, qui interviennent dans la formule III ci-dessus sont alors relativement élevés, ce qui peut impliquer l'utilisation d'organes de calcul relativement puissants.

On pourra affecter à cet effet à chacun des capteurs 11_j un processeur de signal numérique du type DSP (Digital Signal Processor).

Selon un perfectionnement avantageux qui va être maintenant décrit, on peut simplifier considérablement le travail électronique nécessaire.

Ce perfectionnement est basé sur les considérations suivantes.

La formule III ci-dessus peut également s'écrire :

Si on appelle h_jk(t) le second membre de cette convolution (c'est-à-dire si la la formule IV devient :

Cette formule est relativement simple puisqu'elle ne fait plus intervenir aucun des points i.

Certes ces points i interviennent lors de l'élaboration de la fonction h.

Mais cette élaboration peut être effectuée préalablement au cours d'une étape préparatoire suivie d'une mise en mémoire de la fonction h élaborée, ce qui est beaucoup plus souple que la solution précédente.

Dans la pratique, on procède comme suit :

• on commence par mesurer chaque réponse impulsionnelle f_ij(t) sur une période de temps T, à compter du temps t=0 correspondant à l'émission de la courte impulsion acoustique initiale à partir du point i, ladite période s'étendant suffisamment pour contenir la totalité de la réponse impulsionnelle considérée, correspondant aussi bien à la trajectoire directe qu'aux réflexions parasites,
• on mesure de même chaque réponse impusionnelle g_ki(t) sur la même période T,
• on complète les deux fonctions ainsi mesurées par des 0 sur respectivement les deux périodes s'étendant de t=-∞ au temps t=0 et du temps t=T au temps t=+∞,
• on élabore et on mémorise la fonction "inverse" g_ik(-t),
• on calcule la fonction
• on mémorise les fonctions h ainsi calculées en remarquant que celles-ci sont symétriques en jk du fait que les deux réponses impulsionnelles f_ij(t) et g_ik(t) sont elles-mêmes symétriques, respectivement en ij et en ik,
• c'est enfin avec la fonction h_jk(t) ainsi mémorisée que l'on convolue les bruits E_j(t) à neutraliser, conformément à la formule V ci-dessus, afin de déterminer les signaux opposés S_k(t).

Pour mettre en évidence les avantages apportés par le perfectionnement qui vient d'être décrit, on donne ci-après un exemple numérique à titre bien entendu purement illustratif et non limitatif de l'invention :

• la batterie 8 comprend un réseau de 8x8 points j, soit 64 points j,
• de même la batterie 13 comprend un réseau de 8x8 points k, soit 64 points k,
• la batterie 6 comprend un réseau maillé tridimentionnel cubique de 8x8x8=512 points i,
• le temps T est égal à 100ms, l'échantillonnage est effectué à une cadence de 100kHz, ce qui correspond à un nombre de 10 000 échantillons pour chaque relevé, et la résolution de chaque échantillon est de 12 bits, ce qui correspond à 1,5 octet : chaque relevé fait donc intervenir 15 000 octets.

Si l'on exploite directement la formule générale III ci-dessus donnée, il faut mettre en mémoire chacune des réponses impulsionnelles f_ij(t) et g_ik(-t) soit au total 64x512=32768 relevés pour chacune des deux familles : si l'on tient compte de la symétrie, on peut diviser en gros ce nombre par deux, ce qui correspond encore à un nombre de relevés supérieur à 16 000 pour chaque famille.

Le produit de convolution de ces deux familles de réponses impulsionnelles et le double produit de convolution dudit produit avec la fonction représentative des bruits E_j(t) impliquent l'utilisation de calculateurs puissants.

Dans le cas du perfectionnement ci-dessus décrit,

• l'étape préparatoire d'élaboration et de mémorisation de la fonction h fait intervenir la sommation de i=1 à i=512 de 512 produits de convolution f_ij(t)⊗g_ik(-t) : le résultat de cette sommation, qui constitue la fonction h, est mémorisé,
• puis l'étape de création réelle des contre-bruits S n'a plus qu'à faire intervenir la détermination de la fonction h ainsi mémorisée pour chacun des couples de variables jk, c'est-à-dire, compte tenu de la symétrie du système en jk, pour un nombre total de tels couples de l'ordre de 2 080 seulement.

En définitive, le stockage à effectuer pour la mise en oeuvre réelle de l'invention comprend 2 080x15 000 octets, c'est-à-dire 31,20 méga-octets, ce qui représente un nombre tout à fait raisonnable.

En somme, on peut dire :

• qu'à l'issue de la phase préparatoire, pour l'exemple numérique adopté, le nombre des fonctions à mémoriser est de l'ordre de 2 000 seulement alors qu'il était de l'ordre de 32 000 selon la formule générale,
• et que, si l'on considère que le produit de convolution à effectuer dans chaque cas admet deux facteurs dont le premier est E_j(t), le second facteur est défini par quelque 2 000 fonctions dans le premier cas alors que, dans le cas général, il fait intervenir quelque 16 000x16 000=256 millions de fonctions.

En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient finalement un dispositif qui permet de protéger efficacement des bruits extérieurs un volume donné, dispositif dont la constitution et le fonctionnement résultent suffisamment de qui précède.

Ce dispositif présente par rapport à ceux antérieurement connus de nombreux avantages et en particulier celui d'assurer une protection acoustique même vis-à-vis des bruits aléatoires et même si le volume considéré est disposé à l'intérieur d'un local dont les parois ne sont pas spécialement traitées pour s'opposer aux réflexions acoustiques.

Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment,

• celles où les microphones 11j et/ou les haut-parleurs 15k utilisés pour la création des contre-bruits ne seraient pas les mêmes que ceux utilisés préalablement pour la calibration ou mise au point de l'installation en présence de la batterie 6, cas dans lequel les facteurs correctifs appropriés seraient introduits dans les calculs pour tenir compte des différences entre les réponses des appareils utilisés,
• celles où le phénomène variable créé par les haut-parleurs et/ou celui mesuré par les microphones ne serait pas une pression, mais une vitesse de molécules d'air, cas dans lequel les facteurs correctifs appropriés seraient introduits dans les calculs, le passage de l'une de ces variables à l'autre étant obtenu par dérivation ou intégration temporelle,
• et celles où, au cours de l'élaboration de l'une au moins des fonctions f et g, les rôles et emplacements des sources et des capteurs seraient permutés par rapport à ceux exploités ci-dessus : en effet, vu le théorème de la réciprocité ci-dessus rappelé, la fonction f_ij(t), étant égale à f_ji(t), peut être élaborée indifféremment en mettant en oeuvre des impulsions acoustiques courtes émises des différents points i et en analysant les réponses impulsionnelles correspondantes aux points j ou en mettant en oeuvre des impulsions acoustiques courtes émises des différents point j et en analysant les réponses impulsionnelles correspondantes aux points i ; en particulier on pourrait envisager de placer uniquement des sources acoustiques aux points i pour déterminer toutes les réponses impulsionnelles f_ij(t) et g_ik(t), les sources 15_k étant alors remplacées par des capteurs aux points k pour la détermination des réponses g.