DISPOSITIF ACTIF D'ATTENUATION DE L'INTENSITE SONORE

Description

Domaine technique

[0001] L'invention définie dans les revendications concerne un dispositif fixe d'atténuation des bruits générés par des sources mobiles, plus précisément des moyens de transports tels que les avions ou les transports terrestres.

Technique antérieure

[0002] Le bruit des transports est la principale nuisance subie dans l'habitation, à l'intérieur, fenêtres ouvertes et à l'extérieur dans les jardins, parcs, espaces verts et terrasses. Cette nuisance s'accroit inexorablement au fil du temps dans la plupart des sites urbains ou périurbains du fait de l'augmentation du trafic liée notamment aux performances des véhicules, ce malgré l'amélioration constante de leur bruit intrinsèque.

[0003] Compte tenu de la nature physique du son, c'est-à-dire une onde de pression propagée "mécaniquement" dans l'air, on est conduit à constater que la seule façon de se protéger du bruit est de se placer à l'abri d'un écran, interposé entre la source de bruit et la zone à protéger. Cet écran réfléchit ou absorbe le son reçu.

[0004] Cette solution est majoritairement utilisée que ce soit avec des murs de propriété ou avec des murs "anti-bruit", le long des voies de circulation. Lorsqu'elle est économiquement et esthétiquement acceptable, cette solution est satisfaisante. Malheureusement, ses performances sont limitées par l'effet de diffraction du son derrière l'écran, dont les effets sont essentiellement liés à l'envergure de l'écran et à la distance entre la source de bruit (ou la zone à protéger) et l'écran, ces distances étant rapportées à la longueur d'onde du son à atténuer. Mais pour les bruits d'avions au décollage, un écran permettant une bonne protection n'est généralement pas acceptable architecturalement.

[0005] Dans tous les cas, l'opacité optique des écrans entraine une privation de la vue et de la lumière souvent inacceptable. Enfin, la réflexion des bruits incidents augmente l'intensité sonore pour le voisinage et interdit souvent l'utilisation d'une telle solution.

[0006] Ces raisons créent un besoin d'écrans acoustiques plus légers, aérés et transparents, et adaptés en vue de leur insertion dans un ensemble architectural ou une réalisation industrielle.

[0007] Dans cet esprit, il est possible de diminuer le bruit émis par des sources en leur adjoignant un dispositif générant une onde sonore opposée, qui interférant, se combinant avec l'onde initiale diminue l'intensité sonore totale de l'ensemble. Cette combinaison est possible, du fait que la source annexe, asservie à la source principale, génère des ondes de même origine, donc de même géométrie. Ce dispositif est notamment appliqué à des échappements de voiture. A fortiori, il permet d'équiper des installations fixes de machines émettrices de bruit, telles que des bouches industrielles d'échappement de gaz, ou les sorties soufflantes de conditionneurs d'air tels que décrites dans le brevet EP-A-0 557 071. Ces dispositifs pour être efficaces, nécessitent d'être attachés à la source principale de bruit, ce qui est inconcevable sur bon nombre de moyens de transport, dont notamment les avions.

[0008] Il a également été proposé des dispositifs fixes, destinés à être installés au niveau d'une zone que l'on souhaite protéger. Par exemple dans le document FR-A-1.494.967, on décrit un dispositif électro-acoustique général d'absorption des sons et bruits comprenant une pluralité de sources sonores secondaires, constituées chacune d'un microphone dirigé vers la source sonore à neutraliser, d'un amplificateur, et d'un haut-parleur dirigé vers la zone à protéger, destinée à émettre en direction de ladite zone un signal sonore de même amplitude mais de signe opposé.

[0009] Mais ce dispositif suppose que les sources secondaires soient distribuées sur une surface fermée couvrant totalement le volume à protéger, ce qui n'est pas le cas d'un écran dont les effets de bords sont à prendre en compte de manière déterminante.

[0010] Par ailleurs, il suppose que le centre acoustique des microphones coïncide avec celui des haut-parleurs associés, ce qui est pratiquement irréalisable pour les deux raisons suivantes :

• le système microphonique doit discriminer suffisamment la pression de l'onde incidente de bruit par-rapport à la pression de l'onde de contre-bruit générée par le haut-parleur associé, ce qui nécessite un nombre prohibitif de microphones ;
• la coïncidence des centres acoustiques ne laisse aucun délai au sigal capté pour être appliquer au haut-parleur, ce qui ne permet pas de compenser le temps de propagation de groupe des ondes dans les structures vibrantes du haut-parleur, et interdit tout traitement préalable du signal.

[0011] L'invention pallie tous ces inconvénients.

[0012] Le problème que se propose donc de résoudre l'invention est celui de la compensation, au niveau d'une zone déterminée, des ondes de bruit émises par des sources lointaines, ces ondes étant sensiblement planes au niveau de la zone à protéger.

[0013] En d'autres termes, il se pose le problème de générer des ondes à très grand rayon de courbure au moyen de sources électro-acoustiques situées relativement près de la zone à protéger, donc générant intrinsèquement des ondes à petit rayon de courbure relatif.

Exposé de l'invention

[0014] L'objet de l'invention est de permettre la protection d'une aire extérieure vis à vis du bruit issu de sources sonores situées à distance, par exemple en altitude, telle que notamment les bruits d'avions à proximité d'une piste d'aéroport (en décollage, atterrissage ou survol).

[0015] L'invention concerne un dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, par émission d'ondes de contre-bruit, du type comprenant:

• un ensemble de capteurs susceptible de déterminer les signaux et les directions des ondes émises par les sources de bruit éloignées ;
• des moyens pour traiter les signaux issus desdits capteurs, et pour générer des signaux correspondants aux ondes de contre-bruit;
• un ensemble de sources électro-acoustiques connectées auxdits moyens, susceptibles d'émettre des ondes de contre-bruit dans la même direction et dans le même sens que les ondes incidentes, les capteurs et les sources électro-acoustiques étant placés de telle façon que les ondes incidentes atteignent préalablement les capteurs.

[0016] Ce dispositif se caractérise en ce que les sources électro-acoustiques sont installées dans l'espace proche de la zone à protéger et,
en ce que les ondes de contre-bruit émises par l'ensemble des sources électro-acoustiques se combinent pour former les ondes admettant les ondes incidentes pour enveloppes.

[0017] Autrement dit, le dispositif est composé de plusieurs capteurs et sources sonores aptes à reproduire les caractéristisques de l'onde incidente et à émettre une onde opposée. Ces sources sonores sont placées autour et au-dessus de la zone à protéger qu'elles ne recouvrent que partiellement.

[0018] L'invention consiste à disposer les différentes sources les unes par rapport aux autres de telle façon que la combinaison des ondes émises par chaque source prenne la forme d'une onde quasi-plane la plus proche de la géométrie de l'onde incidente. Donc, par rapport à l'onde à neutraliser, l'onde de contre-bruit résultante est non seulement d'amplitude égale et de signe opposé, mais encore et surtout elle possède une courbure similaire. Ainsi, dans tout le volume à protéger, l'onde de contre-bruit et l'onde incidente se compensent géométriquement et en amplitude, réalisant ainsi les deux conditions nécessaires à la réduction de l'intensité du champ sonore par leur interférence.

[0019] Avantageusement, le dispositif comprend également au moins un capteur placé au niveau de la zone à insonoriser, et relié aux moyens de traitement, permettant ainsi la régulation optimale de l'onde de contre-bruit au niveau de la zone à traiter, par commande d'une boucle de rétroaction permettant d'adapter en permanence les gains et retards du signal de contre-bruit.

[0020] Dans une forme de réalisation pratique, les sources acoustiques sont rassemblées par sous-ensembles et alignés selon un axe commun. Cet axe peut être rigide, comme par exemple un mât, ou bien un câble tendu. On obtient des résultats satisfaisants pour un nombre de hauts-parleurs compris entre 4 et 10 par sous-ensemble, et préférentiellement voisin de 8.

[0021] En pratique, chaque sous-ensemble de source est placé à une distance verticale ou transversale de la zone à protéger, comprise entre 3 et 20 mètres, de préférence entre 3 et 12 mètres, et la surface unitaire protégée par un sous-ensemble est comprise entre 10 et 30 m^2.

[0022] En effet, dans ces conditions, l'onde résultant des interférences entre les différentes sources sonores présente un front avant quasi-plan suffisamment couvrant vis à vis du volume sous-jacent.

[0023] Entre 5 et 12 m, on réalise un bon compromis entre le nombre de sources nécessaires, la planéité de l'onde résultante, les possibilités de fixation et la surface couvrante.

[0024] Les capteurs sont placés suffisament en amont de l'émetteur acoustique pour que le temps de parcours de l'onde incidente entre le capteur et le haut-parleur le plus proche de l'émetteur soit supérieur au temps d'élaboration de l'onde de contre-bruit.

[0025] Avantageusement, les microphones utilisés ont un diagramme de directivité présentant un minimum de sensibilité dans le demi-espace dirigé vers l'émetteur, de façon à se prémunir à la fois des ondes réfléchies par le sol et les obstacles proches, mais aussi du rayonnement arrière des sources de contre-bruit.

[0026] En d'autres termes, l'invention consiste à disposer au-dessus de la zone protégée, un ensemble de sources électro-acoustiques émettant chacune une onde de contre-bruit, les différentes ondes de contre-bruit émises se combinant afin de former une onde de contre-bruit résultante dont le rayon de courbure se rapproche de celui de l'onde incidente, de manière à ce que cette onde enveloppe son front avant combiné.

[0027] On conçoit aisément que l'onde de contre-bruit émise par chaque ensemble de sources reste ainsi tangente à l'onde incidente normalement à la direction de propagation de cette onde, mais sur une portion de surface limitée de cette onde, correspondant en quelque sorte à "l'ombre portée" de l'ensemble de source sur cette onde. A l'intérieur même de cette surface, se pose un problème dû à la contribution latérale, c'est-à-dire dans les directions biaises par rapport à la direction de propagation de l'onde incidente, des ensembles de sources adjacents, dont le rayonnement recouvre en quelque sorte le signal utile de contre-bruit. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de disposer de sources électro-acoustiques présentant une directivité accrue, ce qui est obtenu en ce que chaque sous-ensemble acoustique comporte au moins quatre sources disposées verticalement sur chaque mât et commandées par des signaux décalés dans le temps. De cette manière, la directivité est préférentiellement orientée dans la direction d'alignement des sources acoustiques. On parvient à maîtriser ainsi les influences latérales des sources adjacentes entre elles.

[0028] Bien entendu, l'invention n'est pas simplement limitée à l'atténuation des ondes sonores incidentes se propageant verticalement, ou plus généralement parallèlement aux axes des mâts. Ainsi, afin d'adapter la direction de l'onde de contre-bruit constituée par la somme des ondes émises par chaque source de chaque sous-ensemble, les décalages dans le temps entre la commande de chacune de ces sources sont fonction de l'angle d'incidence de l'onde incidente.

[0029] Comme on le sait, le champ de pression rayonné par une membrane vibrante est une fonction en inverse de la distance du point considéré à la membrane. Plus précisément, le mécanisme de rayonnement correspond à un effet intégrant sur le domaine géométrique des sources élémentaires.

[0030] De manière plus globale, si l'on considère l'ensemble des membranes constituant un sous-ensemble de sources, puis l'ensemble des sous-ensembles de sources, le mécanisme total de rayonnement correspond à un effet intégrant sur le domaine géométrique d'ensemble des membranes. Les signaux de contre-bruit délivrés par ces membranes étant convenablement décalés dans le temps pour assurer la concomitance de l'onde globale de contre-bruit avec l'onde d'incidence de bruit, l'effet intégrant spatial sur l'ensemble des membranes se traduit par un effet intégrant sur le temps du signal global de contre-bruit fourni.

[0031] Ainsi, selon une autre caractéristique importante de l'invention, chaque source électro-acoustique est commandée de telle façon que l'accélération de la membrane de la source électro-acoustique est proportionnelle à la dérivée du signal de pression de contre-bruit. Ainsi, de par le mécanisme de rayonnement global, on obtient bien le signal de contre-bruit souhaité.

[0032] Comme déjà dit, l'onde de contre-bruit résultant de la combinaison des différentes ondes de contre-bruit élémentaire est censée prendre pour enveloppe l'onde de bruit incidente. On conçoit aisément que l'invention doit résoudre un problème de concomitance au niveau des portions d'ondes situées entre les zones de contact. En effet, les ondes élémentaires rayonnées étant quasi-sphériques, il se pose un problème de décalage dans le temps dans ces zones entre les points du front d'onde incident et ceux des ondes de contre-bruit.

[0033] Ainsi, le signal de contre-bruit émis est la filtrée linéaire du signal de l'onde incidente, par un filtre adapté en permanence à ce signal, ledit filtre étant destiné à élargir dans le temps la fonction d'intercorrélation entre le signal de bruit et le signal de contre-bruit.

[0034] En d'autres termes, selon cette autre caractéristique de l'invention, le signal de contre-bruit émis n'est pas strictement égal à l'opposé du signal de bruit à combattre. En effet, approximativement, en constituant un signal de contre-bruit comportant une fraction correspondant à l'opposé du signal de bruit et une fraction complémentaire correspondant à l'opposé du signal de bruit légèrement avancée dans le temps, on assure, selon un critère énergétique, la concomitance temporelle des différentes ondes de contre-bruit émises, ceci dans une plage de fréquence déterminée.

[0035] L'invention décrite correspond à une source de bruit unique, de type avion au décollage, dont on capte l'onde de pression, et l'on mesure simultanément l'indicence par exemple par intracorrélation des signaux sur une base horizontale de deux microphones.

[0036] Dans le cas où l'invention est appliquée à des sources multiples de type tronçon d'axe de circulation routier par exemple, il est nécessaire de séparer les caractéristiques de chaque source : signal de pression et angle d'incidence afin de les appliquer simultanément, mais séparément au système anti-bruit décrit. Pour capter ces signaux, il est nécessaire d'appliquer un filtrage spatio-temporel des signaux en accroissant le nombre de microphones de la base pour en extraire les informations requises pour piloter le système.

Description sommaire des dessins

[0037] La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées.

[0038] La figure 1 est une vue générale d'une habitation équipée de divers dispositifs conformes à l'invention.

[0039] La figure 2 est un diagramme schématique illustrant les différentes phases du traitement conforme à l'invention.

[0040] La figure 3 est un diagramme schématique permettant de visualiser la réponse d'un sous-ensemble de sources disposées et commandées conformément à l'invention.

[0041] La figure 4 est une diagramme schématique montrant la génération d'ondes de contre-bruit par un ensemble de mâts équipés de sources conformes à l'invention.

[0042] La figure 5 est un graphique comparatif représentant les densités spectrales de bruit respectivement d'un avion mesurée lors de la phase de décollage, et du signal résultant lors de l'ajout de l'onde de contre-bruit.

[0043] La figure 6 est un graphique représentant la fonction d'autocorrélation d'un tel bruit dans un intervalle symétrique d'amplitude ± 3 millisecondes.

[0044] La figure 7 est un graphique montrant la fonction d'autocorrélation du signal de contrebruit obtenu après application de la fonctionnelle conforme à l'invention sur la même échelle de temps.

Manière de réaliser de l'invention

[0045] Le dispositif selon l'invention a pour objet de former un écran actif à diverses sources de bruit, notamment les bruits engendrés par les moyens de transports, tel qu'un avion au décollage. Il est plus particulièrement destiné à protéger des espaces ouverts tels que terrasses, façades d'habitation, jardins, parcs ou espaces récréatifs.

[0046] Comme représenté à la figure 1, le dispositif (1) conforme à l'invention comporte plusieurs sous-ensembles de sources sonores installées en divers emplacements, à savoir :

• sur un mur à la manière d'une applique ou d'un projecteur ou d'une suspension (A) ;
• fixées au sommet d'un mât à la manière d'un lampadaire (B) ;
• ou, dans des variantes non illustrées, fixées aux branches d'un arbre tel un projecteur.

[0047] Le dispositif (1) selon l'invention est destiné à combattre les nuisances sonores, générées par des bruits d'avions (voir figure 2). Les ondes émises (20) par les avions ont comme caractéristique principale d'être quasi-planes et cohérentes au niveau d'une zone de surface limitée, c'est-à-dire une aire dont les dimensions sont de quelques dizaines de mètres. Le dispositif fonctionne donc en générant une onde aussi plane que possible et opposée à l'onde incidente (20). Comme il est impossible d'obtenir une onde quasi-plane avec une source ponctuelle à distance finie, l'invention combine l'utilisation de plusieurs sources sonores (2) pour obtenir une onde s'en rapprochant suffisamment pour obtenir en tout point de la zone protégée, l'effet de compensation voulu.

[0048] Les sources, c'est-à-dire les groupes de haut-parleurs, telles que décrites ont leurs barycentres répartis sur une surface fictive couvrant la zone à protéger, selon la forme de cette zone et les directions des ondes incidentes. Leur nombre est fixé par la distance minimale à respecter entre chacune d'elles pour réaliser la planéité requise de l'onde de contre-bruit.

[0049] D'un point de vue matériel, les sources sont regroupées en sous-ensembles portés par des mâts (4) de manière à former une sorte de lampadaire d'une hauteur de 10 à 8 mètres pour un maillage carré de 4 à 5 mètres de côté. On a observé qu'on obtenait de très bons résultats en utilisant un nombre de haut-parleurs (2) par mât voisin de 10, chacun des haut-parleurs étant séparé de son voisin (2a) d'environ 70 cm, cet écartement se traduit au niveau du décalage de commande de haut-parleurs successifs par un intervalle de 2 millisecondes.

[0050] Dans une autre forme de réalisation pratique non illustrée, les sous-ensembles sont montés sur des mâts suspendus à une structure ne présentant que quelques points d'appui au sol. Typiquement, ces mâts ne présentent également une longueur utile voisine de 7 mètres et l'extémité basse de chaque mât culmine à environ 3 mètres au-dessus du sol. Ce mode de réalisation laisse l'espace libre à la circulation des personnes et apparaît préférable pour les grandes aires à protéger.

Principes de fonctionnement de l'invention

[0051] Les sous-ensembles décrits ci-avant fonctionnement dans un mode direct, en ce sens qu'ils génèrent des ondes acoustiques directement opposées aux ondes de bruit des avions. A une surpression incidente, ils réagissent par une dépression d'amplitude égale. Ils captent les ondes incidentes en amont du système de haut-parleurs, dans lesquels sont injectés des signaux appropriés, propres à créer l'effet opposé recherché, en tout point de la zone protégée et en synchronisme avec l'onde incidente.

[0052] Le bon fonctionnement de tels sous-ensembles, mesuré par les performances d'atténuation du bruit obtenus (à situer entre 10 et 20 dB soit 1/10 à 1/100 de puissance acoustique), implique que leur mode de réalisation réponde à des exigences physiques essentielles suivantes.

1) Le signal de contre-bruit doit être particulièrement fidèle vis à vis du signal de bruit à atténuer. Ceci impose des performances draconiennes à la chaîne de reproduction acoustique. Typiquement, on évalue qu'il est nécessaire d'avoir entre le signal de contre-bruit et le bruit un coefficient de corrélation supérieur à 0,995 pour atteindre une performance d'atténuation de 20 dB, ce qui implique des distorsions de la chaîne au plus de quelques millièmes (distorsions linéaire et non linéaire).

2) Une exigence de cohérence spatiale du système d'ondes de contre-bruit (22) généré par les sous-ensembles vis à vis des ondes de bruit émanant de l'avion. L'onde incidente est à fort rayon de courbure, typiquement plusieurs centaines de mètres. Les ondes générées par les sous-ensembles sont de rayon beaucoup plus faibles, typiquement de 3 à 10 mètres, ce qui correspond à la hauteur à laquelle sont placés ces sous-ensembles. Ces ondes de contre-bruit doivent donc être combinées pour "envelopper géométriquement" les ondes de bruit. Cette cohérence spatiale nécessite de résoudre les deux problèmes suivants.

a) Un problème d'homogénéité : l'amplitude au point P (cf figure 3) où se superposent les deux ondes d'anti-bruit, doit être égale à l'amplitude aux points de tangence M et N, typiquement à 10 % pour obtenir une atténuation minimale de 20 dB.

b) Un problème de concomitance : l'onde d'anti-bruit créée en P est en retard par rapport à l'onde de bruit en P', donc non rigoureusement opposée. Typiquement on exige qu'une perte de corrélation soit inférieure à 5.10^-3 pour obtenir une atténuation de 20 dB.

[0053] Si l'exigence de cohérence temporelle pose un problème de technologie acoustique et plus particulièrement de conception et de correction des haut-parleurs, l'exigence de cohérence spatiale correspond à un problème acoustique de traitement du signal.

[0054] Concernant le problème de cohérence spatiale du système d'onde de contre-bruit avec les ondes de bruit, une des caractéristiques essentielles de l'invention est de répartir et associer des hauts-parleurs doués de leur directivité propre pour construire une directivité d'ensemble recherchée.

[0055] En effet, si les fronts d'ondes créées par chaque haut-parleur sont globalement sphériques à la distance d'intérêt, la nature du champ acoustique derrière ces fronts, qui conditionne notamment leur directivité, est modulable selon la géométrie même de ces haut-parleurs, et des surfaces inertes qui les enveloppent. La manière qui paraît la plus éclairante pour aborder ces phénomènes, est de considérer la réponse impulsive de ces haut-parleurs, et de leur association. Cette réponse impulsive est une fonction causale qui permet, par convolution avec le signal de contre-bruit, d'obtenir la réponse acoustique réelle du système que l'on vise à opposer, dans la zone d'écoute, à l'onde d'avion proprement dite.

[0056] Concernant la modélisation des sources de contre-bruit, celles-ci sont assimilées, en première approche, à des sources de variation de débit acoustique normal dont le champ de pression est donné par la loi :

où "r" représente la distance du point considéré à la source, "ρ" la masse volumique de l'air, "γ" l'accélération de la source et "c" la célérité du son.

[0057] Bien entendu, il existe des équivalences entre les différentes lois de pression correspondant aux différents types de sources élémentaires acoustiques, ces correspondances étant bien connues par l'homme de métier.

[0058] Concernant la détermination de la réponse impulsive d'un ensemble de haut-parleurs, on s'appuiera sur le principe de la conservation de l'impulsion mécanique communiquée par la membrane isotropiquement à l'air ambiant.

[0059] Il apparaît que le mécanisme de rayonnement qui correspond à un effet intégrant sur le domaine géométrique les sources élémentaires, se traduit en fait par un effet intégrant, ou de quadrature sur le temps, du signal de pression captée vis à vis du signal de variation de débit des sources. Ainsi, selon une caractéristique importante de l'invention, pour obtenir un signal de pression de contre-bruit donné, on commande l'accélération de la membrane des hauts-parleurs par le signal dérivé du signal qu'on recherche à obtenir. De façon plus précise, et schématiquement, on pourrait souhaiter idéalement que les sources de contre-bruit donnent en un point des réponses impulsives de type Pϑ(t).e^-t/T, où Pϑ(t) est le signal porte de durée ϑ et d'amplitude 1/ϑ. Cette réponse de pression convoluée avec le signal d'accélération des sources γ(t) donne :

[0060] On remarque que la convolution se traduit rigoureusement dans le domaine spectral par un filtrage passe-bas qui conduit à la première formule ω_o = 1/T qui donne la fréquence de coupure basse du système.

[0061] Le résultat visé, c'est-à-dire une pression rayonnée proche de la primitive implique donc pratiquement ϑ /T > 3.

[0062] La valeur de ϑ est fixée par la géométrie du système des lampadaires, typiquement ϑ = L_max/c, L_max représentant la distance maximale horizontale entre haut-parleurs. L'enchaînement des relations précédentes conduit à ω_o > 3c/Lmax, ce qui montre à l'évidence que la fréquence de coupure basse du système d'antibruit est en raison inverse de son envergure.

[0063] Dans la logique du raisonnement ci-dessus, il faut donc qu'au point courant de l'espace à protéger, la réunion des réponses impulsives des divers haut-parleurs dont les ondes de contre-bruit atteignent le point courant approchent la réponse impulsive ou la base souhaitée du type :

[0064] Il est indispensable, en particulier que la réunion de ces réponses, soit en tout point concomitante avec le front avant, et de même amplitude énergétique globalement. Schématiquement, le système doit être conçu en disposition et caractère de directivité de telle façon que les réponses impulsives s'enchaînent en tout point selon une loi fortement décroissante se rapprochant autant que possible d'une exponentielle e^-t/T.

[0065] Il en résulte que les lampadaires doivent être conçus pour être très directifs.

[0066] Les contributions les plus éloignées du front avant de la réponse impulsive globale, correspondant à des incidences se rapprochant de l'horizontale doivent ainsi s'atténuer selon une loi, sinon exponentielle, du moins suffisamment rapide selon l'inverse du temps de propagation au point courant d'écoute.

[0067] Par ailleurs, selon le maillage des lampadaires, plusieurs d'entre eux contribuent concomitamment à la réponse impulsive au point courant. (typiquement quatre sous-ensembles les plus proches dans un maillage carré). Ceci accroit la nécessité de resserrer la directivité verticale des sous-ensembles. Pour résoudre ce problème crucial, conformément à une caractéristique de l'invention, les haut-parleurs sont disposés par sous-ensembles, alignés, notamment sur un mât.

[0068] Schématiquement si l'on distribue ces sources sur un mât, en les écartant d'une distance e, et en les attaquant progressivement avec un retard temporel unitaire sur le signal e/c, on obtient le diagramme angulaire de révolution de la figure 4 sur lequel les réponses impulsionelles individuelles et globales sont illustrées. Schématiquement, on observe que les différentes réponses impulsives se combinent différemment selon l'azimut ϕ observé.

[0069] Les quatre sources (5a,5b,5c,5d) sont commandées avec un décalage dans le temps égal au temps de parcours de la distance entre haut-parleurs par l'onde, les quatre réponses impulsionnelles (Ra,Rb,Rc,Rd) s'ajoutent pour former une réponse R0 du type impulsionnel quatre fois supérieure. En revanche, pour un azimut égal à 90°, les quatre réponses impulsionnelles se succèdent dans le temps et s'enchaînent pour former une réponse R90 d'amplitude variable mais de durée quadruple. De façon intermédiaire, pour un azimut compris entre 0 et 90 °, les quatre réponses impulsionnelles se combinent de manière à donner une onde Rϕ d'amplitude comprise entre 1 et 4, et de durée fonction de ϕ et comprise entre e/c et 4e/c.

[0070] Ces réponses impulsives ont en commun une aire constante du fait de la loi de conservation de l'impulsion évoquée.

[0071] Ainsi, on conçoit que la directivité d'une telle source acoustique composite est beaucoup plus centrée sur l'axe d'alignement (6) des haut-parleurs.

[0072] Bien entendu, le réglage approprié du décalage temporel entre la commande des différentes sources constituant un sous-ensemble permet avantageusement d'orienter le maximum de directivité en fonction de l'angle d'incidence de l'onde émise par l'avion.

[0073] Bien entendu, compte-tenu de la distance dans un plan horizontal des différents lampadaires, il convient de positionner à des hauteurs adéquates les différents haut-parleurs composants un sous-ensemble. Ainsi, on considère qu'on obtient le résultat satisfaisant en utilisant des mâts sur lesquels le haut-parleur le plus haut est situé à environ une hauteur égale à deux fois la distance moyenne séparant deux mâts adjacents. Par ailleurs, le haut-parleur le plus bas du mât doit être placé à une hauteur sensiblement égale à la moitié de cette distance entre mâts, sans descendre pratiquement au-dessous d'une hauteur d'homme et demie.

Traitement du problème de concomitance

[0074] En préalable, il convient de préciser la nature spectrale des bruits que l'on cherche à contrecarrer grâce à l'invention. Le bruit incident a deux caractères principaux:

• il est constitué d'un mélange de composantes déterminées, périodiques, dû à l'interaction écoulement-organes tournants, mais néanmoins bruitées, ainsi que de composantes aléatoires dues aux phénomènes de turbulence dans la chambre de combustion et surtout au jet. Les composantes déterminées prédominent dans l'effet de nuisance du bruit ;
• le bruit incident est variable pendant le survol du fait de la directivité des sources, de l'effet Doppler et d'éventuels aléas de propagation dus aux turbulences atmosphériques.

[0075] Les ondes de bruit perçues au sol dans les phases de vol considérées, restent néanmoins cohérentes latéralement sur plusieurs dizaines de longueurs d'onde, c'est-à-dire sur l'envergure des zones à protéger.

[0076] La figure 5 présente en trait plein une allure typique de la densité spectrale de la puissance du bruit incident, moyennée sur 500 millisecondes environ. On y observe l'importance des raies bruités et ainsi que celle de la partie moyenne du spectre située entre 200 et 800 Hz. On note également la part relative pondérée de la partie haute comprise entre 1kHz et 2 kHz, plus difficile à combattre.

[0077] Des calculs statistiques permettent de déterminer les valeurs de coefficient de corrélation entre le signal bruit reçu et incident et le signal de contre-bruit à émettre. Il ressort de ce calcul que pour atteindre par le contre-bruit une performace d'atténuation du bruit théorique de 20 dB, il est nécessaire d'assurer une corrélation croisée normée du signal d'antibruit à celui de bruit à 5.10^-3 près sur l'intervalle de retard [O, T_max] avec égalité des niveaux de puissance au dizième près.

[0078] Il ressort donc, dans le cas typique où l'on utilise des lampadaires de hauteur de 10 mètres séparés de chacun de 5 mètres, que la valeur de Tmax est sensiblement égale à une milliseconde. Or, ceci correspond sensiblement à la première valeur annulant la fonction d'autocorrélation du bruit. On conçoit donc qu'il est nécessaire que le système minimise cet effet de retard si l'on veut atteindre les performances visées. Il est à noter que dans certains cas de figure, l'interférence créée par l'onde de contrebruit avec celle du bruit peut devenir constructive et engendrer une augmentation du volume sonore, ce qui est bien entendu inacceptable.

[0079] Conformément à une caractéristique importante de l'invention, et contrairement à un préjugé qui consisterait à fabriquer le signal de contrebruit cb(t) comme l'opposé strict du signal de bruit b(t), ce signal de contre-bruit est en fait une fonctionnelle F(b(t)) devant assurer les propriétés requises de corrélation des signaux de bruit et de contre-bruit. En d'autres termes, on cherche à donner au contre-bruit une forme qui "aplatit" ou du moins borne les variations de la fonction d'autocorrélation croisée normée du bruit et du contre-bruit.

[0080] Théoriquement, cet effet pourrait être obtenu en prenant comme signal de contrebruit (cb):

[0081] De manière schématique, η (t) = α.δ(t)+β.δ(t-t_o) + γ.δ(t + t_o) où δ represente un Dirac.

[0082] On obtient un résultat lissé en utilisant une fonction η (t) correpondant à une fonction causale, à support borné, symétrique et présentant le squelette idéal impulsionnel décrit ci-avant.

[0083] Le résultat obtenu est illustré à la figure 5 dans laquelle on observe la densité spectrale du signal résultant de l'addition du bruit et du contre-bruit retardé montrée en les pointillés, à comparer à la densité spectrale du bruit montrée en trait plein, en utilisant une fonction η (t) à base de Dirac. Il ressort que cette technique permet de compenser l'effet de retard.

[0084] La comparaison des figures 6 et 7 montrent que l'application de la fonctionnelle au signal de bruit pour obtenir le signal de contrebruit, élargit la fonction de corrélation (figure 7) par rapport à la fonction d'autocorrélation brute (figure 6).

Le système de captation

[0085] La détection de l'onde incidente est réalisée (voir figure 2) par un ensemble de trois microphones (7a,7b,7c) constituant une double base d'écoute et permettant de détecter l'angle de site ainsi que l'angle d'azimut de la direction de propagation de l'onde incidente. On observe qu'on obtient une meilleure précision lorsque l'on dispose les trois microphones (7a,7b,7c) dans un plan horizontal, en formant un angle droit dont le plan bissecteur est parallèle au plan de la trajectoire la plus fréquente des avions.

[0086] Concernant les microphones à utiliser, afin d'éviter les effets de bouclage pouvant entraîner les instabilités par captation des ondes réfléchies sur le sol, on préférera choisir les microphones ayant un diagramme de directivité idéalement hémisphérique orienté vers le haut.

Les moyens de traitement des signaux

[0087] La nature des bruits émis étant par nature variable et pour une part aléatoire, l'ensemble de traitement comporte des moyens de calcul adéquats et classiques pour effectuer un filtrage optimal et adaptatif, c'est -à-dire évoluant en fonction des caractéristiques variables et aléatoires du bruit incident et tout particulièrement de son orientation. Ces moyens de traitement utilisent des principes connus dans le domaine du traitement statistique du signal, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le développer ici plus en détail.

[0088] Néanmoins, ainsi que cela ressort de la figure 2, on peut préciser que l'ensemble du dispositif conforme à l'invention comporte une base microphonique d'écoute constituée de trois microphones (7a,7b,7c). Ces microphones sont reliés à une unité centrale (8) de traitement basée sur une architecture à processeur de traitement du signal, destinée à élaborer le signal de contrebruit cb(t) à partir de la fonctionnelle caractéristique de l'invention. Ce signal de contrebruit cb(t) est injecté dans une ligne à retard (9) dont le pas de retard est réglé par la valeur de l'angle de site ϑ déterminée par le corrélateur (10) recevant les signaux b(t) issus des microphones.

Possibilités d'applications industrielles

[0089] Le dispositif tel que décrit ci-dessus dans son application contre les bruits d'avion, peut aisément être utilisé pour limiter les nuisances inhérentes à d'autres moyens de transport, tels que les trains ou les voies routières.

[0090] Il ressort de la description précédente que le dispositif selon l'invention présente une solution avantageuse aux problèmes de bruits notamment d'avions. En effet, pour une zone déterminée, correspondant par exemple à un jardin ou une terrasse, il constitue un écran sonore optiquement transparent et discret. En outre, il ne reporte pas les nuisances sur le voisinage.

Revendications

1. Dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, par émission d'ondes de contre-bruit, du type comprenant :

- un ensemble de capteurs (7a,7b,7c) susceptible de déterminer les signaux et les directions des ondes émises (20) par les sources de bruit éloignées ;

- des moyens pour traiter les signaux b(t) issus desdits capteurs, et pour générer des signaux cb(t) correspondants aux ondes de contre-bruit;

- un ensemble de sources électro-acoustiques (2) connectées auxdits moyens, susceptibles d'émettre des ondes de contre-bruit dans la même direction et dans le même sens que les ondes incidentes, les capteurs et les sources électro-acoustiques étant placés de telle façon que les ondes incidentes atteignent préalablement les capteurs,

caractérisé en ce que les sources électro-acoustiques (2) sont installées dans l'espace proche de la zone à protéger et,
en ce que les ondes de contre-bruit (22) émises par l'ensemble des sources électro-acoustiques (2) se combinent pour former les ondes admettant les ondes incidentes (20) pour enveloppes.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un capteur placé au niveau de la zone insonorisée et relié aux moyens de traitement (8,9,10), permettant ainsi la régulation optimale de l'onde de contre-bruit (22) au niveau de la zone à traiter.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les sources électro-acoustiques (2) sont rassemblées par sous-ensembles, et alignées selon un axe commun (6).

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé :

- en ce que les sources électro-acoustiques (2) sont placées à une hauteur comprise entre trois et vingt mètres, de préférence entre trois et douze mètres et,

- en ce que la surface unitaire protégée par un sous-ensemble (1) est comprise entre dix et trente mètres carrés.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque sous-ensemble (1) de sources acoustiques comporte au moins quatre sources (2) disposées verticalement sur le mât (4) et commandées par des signaux décalés dans le temps.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les décalages dans le temps sont fonction de l'angle d'incidence de l'onde incidente.

7. Dispositif selon la revendication 1 à 6, caractérisé en ce que chaque source électro-acoustique (2) est commandée de telle façon que l'accélération de la membrane de la source électro-acoustique (2) est proportionnelle à la dérivée du signal de contre-bruit cb(t).

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le signal de contre-bruit (cb(t) émis est la filtrée linéaire du signal b(t) de l'onde incidente, par un filtre adapté en permanence à ce signal, ledit filtre étant destiné à élargir dans le temps la fonction d'intercorrélation entre le signal de bruit et le signal de contre-bruit.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, destiné à atténuer l'intensité sonore émise par une source de bruit, caractérisé en ce que chaque mât (4) est associé à un dispositif de pointage destiné à orienter continuellement le mât dans la direction de la source à neutraliser.

Ansprüche

1. Aktive Vorrichtung zur Dämpfung des Lärms in einem bestimmten Bereich durch Aussendung von den Lärm dämpfenden Wellen, welche umfaßt:

- eine Anordnung von Aufnehmern (7a, 7b, 7c), zur Bestimmung der Signale und Richtungen der Wellen entfernter Lärmquellen;

- Mittel zur Verarbeitung der Signale b(t) aus den Aufnehmern und zur Erzeugung der Signale cb(t) der Wellen zur Dämpfung des Lärms;

- eine mit diesen Mitteln verbundene Anordnung elektroakustischer Quellen (2) zur Aussendung von zu den einfallenden Wellen gleichgerichteten und gleichsinnigen Wellen, die den Lärm dämpfen, wobei die Aufnehmer und die elektro-akustischen Quellen derart angeordnet sind, daß die einfallenden Wellen die Aufnehmer zuerst erreichen,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-akustischen Quellen (2) nahe des zu schützenden Bereiches angeordnet werden, wobei die von der Anordnung der elektro-akustischen Quellen (2) ausgesandten Wellen (22) zur Dämpfung des Lärms sich unter Ausbildung der Wellen, die die einfallenden Wellen (20) als Einhüllende aufnehmen, überlagern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß weiter mindestens ein Aufnehmer im lärmgedämpften Bereich, verbunden mit den Verarbeitungsmitteln (8, 9, 10) zur optimalen Einstellung der Wellen (22) zur Dämpfung des Lärms im zu behandelnden Bereich mit umfaßt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-akustischen Quellen (2) zu Untergruppen zusammengefaßt und entlang einer gemeinsamen Achse (6) ausgerichtet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die elektro-akustischen Quellen (2) in einer Höhe innerhalb von 3 bis 20 Metern, vorzugsweise zwischen 3 bis 12 Metern angebracht sind und

- die von einer Untergruppe (1) geschützte Einheitsfläche zwischen 10 und 30 m² beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Untergruppe (1) akustischer Quellen wenigstens vier Quellen (2) umfaßt, welche senkrecht am Mast (4) angeordnet sind und durch zeitversetzte Signale angesteuert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Versetzungen der Signale vom Einfallswinkel der einfallenden Welle abhängig sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß jede elektro-akustische Quelle (2) so angesteuert wird, daß die Beschleunigung der Membran der elektro-akustischen Quelle (2) proportional zur Ableitung des Signals cb(t) der Welle zur Dämpfung des Lärms ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß sich das Signal (cb(t)) der Welle zur Dämpfung des Lärms durch lineare Filterung des Signals b(t) der einfallenden Welle in einem kontinuierlich diesem Signal angepaßten Filter ergibt, wobei der Filter die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem Signal der Lärmquelle und dem Signal zur Dämpfung des Lärms zeitlich vergrößert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, für die Dämpfung des Signals einer Lärmquelle,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mast (4) mit einer Zielvorrichtung zur kontinuierlichen Ausrichtung des Mastes in Richtung der zu neutralisierenden Quelle verbunden ist.

Claims

1. Active device for attenuating the sound intensity in a determined region by emitting antinoise waves, of the type comprising:

- a set of sensors (7a, 7b, 7c) which can determine the signals and the directions of the waves (20) emitted by the distant noise sources;

- means for processing the signals b(t) emitted by the said sensors, and for generating signals cb(t) corresponding to the antinoise waves;

- a set of electroacoustic sources (2), connected to the said means and capable of emitting antinoise waves in the same direction and in the same sense as the incident waves, the sensors and the electroacoustic source having been placed in such a way that the incident waves reach the sensors first,

characterized in that the electroacoustic sources (2) are installed in the space close to the region to be protected and,
in that the antinoise waves (22) emitted by the set of electroacoustic sources (2) combine to form the waves assuming the incident waves (20) as envelopes.

2. Device according to Claim 1, characterized in that it also comprises at least one sensor placed in the sonically irradiated region and connected to the processing means (8, 9, 10), thus allowing optimal regulation of the antinoise wave (22) in the region to be treated.

3. Device according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the electroacoustic sources (2) are grouped in subsets and aligned with a common axis (6).

4. Device according to one of Claims 1 to 3, characterized:

- in that the electroacoustic sources (2) are placed at a height of between three and twenty metres, preferably between three and twelve metres,

- in that the unitary surface protected by a subset (1) is between ten and thirty square metres.

5. Device according to Claim 3, characterized in that each subset (1) of acoustic sources includes at least four sources (2) arranged vertically on the mast (4) and controlled by time-shifted signals.

6. Device according to Claim 5, characterized in that the time shifts are a function of the angle of incidence of the incident wave.

7. Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that each electroacoustic source (2) is controlled in such a way that the acceleration of the diaphragm of the electroacoustic source (2) is proportional to the derivative of the antinoise signal cb(t).

8. Device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the antinoise signal cb(t) emitted is the linear filtrate of the signal b(t) of the incident wave, filtered by a filter matched permanently to this signal, the said filter being intended to temporarily broaden the cross-correlation function between the noise signal and the antinoise signal.

9. Device according to one of Claims 1 to 8, intended to attenuate the sound intensity emitted by a noise source, and characterized in that each mast (4) is associated with an aiming device intended to orient the mast continuously in the direction of the source to be neutralized.

Dessins