[0001] La présente invention concerne un dispositif acoustique apte à réaliser une réduction
active de bruit, positionnable sur la tête d'un utilisateur.
[0002] L'invention se situe dans le domaine de la réduction active de bruit.
[0003] Il existe différents dispositifs acoustiques de réduction de bruit ambiant, notamment
des casques comportant un système de réduction active de bruit. En général, un tel
casque comporte deux écouteurs, positionnés classiquement sur les oreilles d'un utilisateur.
Chaque écouteur est équipé d'un microphone apte à capter un signal sonore représentatif
du bruit ambiant, dit signal de bruit. La réduction active de bruit est alors réalisée
par émission par les écouteurs, au niveau de l'entrée du canal auditif de l'utilisateur,
d'un signal sonore aérien qui est calculé pour compenser le signal de bruit capté,
également appelé « contre-bruit ».
[0004] Le document
WO 2010/052720 A1 décrit une méthode pour fournir un signal audio à deux oreilles d'un utilisateur
à l'aide d'un seul écouteur. Le document
WO 2007/107985 A1 décrit une méthode et un système de propagation du son par conduction osseuse.
[0005] L'invention a pour objet de proposer un dispositif acoustique de réduction de bruit
ambiant permettant une meilleure atténuation de bruit sans encombrement pour l'utilisateur.
[0006] A cet effet, l'invention propose un dispositif acoustique selon la revendication
1.
[0007] Le dispositif acoustique selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs
des caractéristiques des revendications 2 à 4, prises indépendamment ou en combinaison.
[0008] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description
qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence
aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif acoustique selon un mode de réalisation
de l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement une carte électronique du dispositif acoustique
selon l'invention ;
- la figure 3 est un schéma de principe de réduction active de bruit selon un premier
mode de réalisation ;
- la figure 4 représente schématiquement un protocole de mesure de fonction de transfert
de conduction osseuse directe ;
- la figure 5 est un schéma de principe de réduction active de bruit selon un deuxième
mode de réalisation ;
- la figure 6 représente schématiquement un protocole de mesure de fonction de transfert
de conduction osseuse transverse, et ;
- la figure 7 est un ordinogramme des principales étapes d'un procédé de détermination
de fonctions de transfert de réduction active de bruit par voie ostéophonique.
[0009] Le dispositif acoustique 2 de la figure 1 comprend deux modules acoustiques latéraux
4 de réduction active de bruit par voie ostéophonique qui sont similaires. Le dispositif
acoustique 2 est adapté pour être positionné sur la tête d'un utilisateur (non représentée),
les modules acoustiques latéraux 4 étant positionnés en contact avec le crâne de l'utilisation,
de préférence au niveau de ses tempes.
[0010] Un module acoustique 4 comprend un transducteur ostéophonique 8 et un boîtier 10,
comportant un microphone apte à capter un signal sonore représentatif d'un son ambiant,
typiquement un bruit ambiant.
[0011] Le transducteur ostéophonique 8 comporte un élément émetteur non représenté, apte
à transformer un signal sonore en un signal vibratoire, transmis au nerf auditif de
l'utilisateur par conduction osseuse. Ainsi, un signal sonore transformé par conduction
osseuse en un signal acoustique perceptible par l'utilisateur au niveau de son oreille
interne. L'élément émetteur est protégé par une coque de protection 12, qui est de
préférence composée de deux demi-coques emboîtées. Les demi-coques sont, par exemple,
en matière plastique et moulées par injection.
[0012] Le boîtier 10 comporte également une carte électronique non représentée, qui sera
décrite plus en détail en référence à la figure 2, et qui est reliée au microphone
de capture de son ambiant et qui comprend un circuit électronique de filtrage permettant
de générer, à partir du signal sonore capté, un signal électrique dit de « contre-bruit
», transformé en signal vibratoire par le transducteur ostéophonique 8 et apte à amoindrir
ou à annuler complètement la perception du signal sonore ambiant au niveau du nerf
auditif de l'utilisateur. Ainsi, dans un mode de réalisation, une onde sonore ambiante
est annulée par conduction osseuse.
[0013] Le dispositif acoustique 2 comporte également un organe maintien mécanique 14, qui
est dans cet exemple un bandeau rigide apte à supporter les modules acoustiques 4
en position adéquate, en appui contre les tempes de l'utilisateur. De préférence,
le bandeau rigide 14 est de longueur réglable.
[0014] De plus, optionnellement, le dispositif acoustique 2 comporte également un organe
de maintien complémentaire 16, qui est dans cet exemple de réalisation un bandeau
souple 16, de préférence de longueur réglable, positionnable sur le dessus de la tête
de l'utilisateur afin d'assurer un maintien fiable.
[0015] Une articulation 20, entre une pièce de fixation 22 d'un module acoustique 4 aux
organes de maintien 14, 16 est également prévue. L'articulation 20 est propre à permettre
un positionnement adéquat des modules acoustiques sur la tête d'un utilisateur. Dans
un mode de réalisation, l'articulation 20 est équipée d'un ressort non représenté,
propre à assurer un rappel du module acoustique 4 vers une position de repos.
[0016] Selon une variante simplifiée non représentée, le dispositif acoustique selon l'invention
est équipé d'un seul module acoustique latéral de réduction active du bruit, positionné
sur un seul côté du crâne de l'utilisateur.
[0017] Il est entendu que les modules acoustiques 4 de réduction de bruit par voie ostéophonique
sont représentés et décrits en détail.
[0018] Cependant, tout dispositif acoustique ou casque, comportant de tels modules acoustiques,
fait partie de l'invention.
[0019] Selon une variante, un ou deux modules acoustiques 4 de réduction de bruit par voie
ostéophonique sont intégrés dans un dispositif de réduction de bruit classique, de
type casque anti-bruit, afin de combiner la réduction de bruit par voie aérienne par
génération d'un signal acoustique aérien de contre-bruit et la réduction de bruit
par voie ostéophonique.
[0020] Une carte électronique 30 selon l'invention est représentée à la figure 2. Un signal
de bruit ambiant Sb est capté par le microphone. Un module de filtrage 32 est relié
au microphone, ce module mettant en œuvre une fonction de transfert H
FO permettant de déterminer le signal électrique, équivalent au gain et à la phase près,
au signal ostéophonique à transmettre par conduction osseuse pour annuler le signal
de bruit Sb.
[0021] Selon un premier mode de réalisation, la fonction de transfert H
FO est déterminée pour un dispositif acoustique 2 muni d'un seul module acoustique 4
de réduction de bruit par voie ostéophonique. La fonction de transfert H
FO ainsi déterminée s'applique également dans le cas d'un dispositif acoustique 2 muni
de modules acoustiques 4 droite et gauche, mais en supposant des conditions de bruit
ambiantes équivalentes au niveau des oreilles droite et gauche de l'utilisateur, et
en considérant une conduction osseuse directe uniquement.
[0022] Afin d'expliciter comment déterminer la fonction de transfert H
FO dans ce premier mode de réalisation, la figure 3 illustre schématiquement le principe
de la réduction de bruit par voie ostéophonique dans ce mode de réalisation.
[0023] Dans cet exemple, le cas d'un module acoustique 4 placé du côté latéral gauche de
l'utilisateur est considéré. Il est entendu que le principe décrit ci-après s'applique
de manière symétrique lorsqu'un module acoustique 4 est placé du côté latéral droit
du crâne de l'utilisateur.
[0024] Seul le transducteur 8 faisant partie du module acoustique 4 est représenté. Le point
I
G représente l'oreille interne gauche de l'utilisateur, et le point E
G le point d'entrée du conduit auditif gauche ou oreille externe.
[0025] Des ondes sonores 38 de bruit sont transmises par voie aérienne, et captées par le
microphone 40. Selon une modélisation de principe, une fonction de transfert Hco définit
la conduction par voie osseuse entre l'émission de signal vibratoire par le transducteur
8 et l'oreille interne I
G. La fonction de transfert globale entre l'entrée du microphone 40 et l'émission de
signal vibratoire ostéophonique est notée H
G. Similairement, une fonction de transfert H
CA représente la conduction d'un signal sonore aérien entre l'oreille externe E
G et l'oreille interne I
G, il s'agit de la fonction de transfert de l'oreille interne et moyenne. La fonction
de transfert H
bG est la fonction de transfert caractéristique de l'environnement bruité, également
utilisée dans le cadre de la réduction de bruit classique.
[0026] Afin d'annuler le bruit au niveau de l'oreille interne I
G de l'utilisateur, la relation suivante doit être vérifiée :
[0027] Il en résulte que la fonction de transfert globale H
G dépend du rapport R entre la fonction de transfert H
CA de l'oreille externe et moyenne et de la fonction de transfert Hco de conduction
osseuse :
[0028] De plus, si on note H
m la fonction de transfert du microphone 40 et H
TO la fonction de transfert du transducteur 8, la relation suivante est également vérifiée
:
[0029] En combinant les relations (Eq 2) et (Eq 3) ci-dessus, il en résulte :
[0030] Afin de déterminer la fonction de transfert H
FO à appliquer, il est donc utile, dans une phase préalable, de déterminer le rapport
R=H
CA/H
CO, ce qui revient, en d'autres termes, à déterminer le signal sonore aérien équivalent,
au gain et à la phase près, au signal vibratoire ostéophonique.
[0031] Une telle détermination est effectuée, dans un mode de réalisation, selon le protocole
schématisé à la figure 4. Un opérateur humain intervient dans cette détermination
expérimentale.
[0032] Comme illustré sur la figure 4, l'opérateur testé est équipé d'un transducteur 8,
positionné latéralement, sensiblement dans la région de la tempe, et d'un écouteur
42 positionné sur une oreille, par exemple l'oreille gauche comme dans l'exemple de
la figure 3. L'écouteur 42 est un écouteur classique, permettant de transmettre un
signal acoustique aérien au niveau de l'oreille externe gauche de l'opérateur. De
préférence, l'oreille externe droite est obstruée, par exemple par un bouchon d'oreille,
afin d'éviter une éventuelle interférence auditive.
[0033] Un générateur 44 de signaux sinusoïdaux permet de générer successivement des signaux
pour un ensemble de fréquences variant de 20 Hz à 20kHz. Un signal sinusoïdal généré
est transmis à la fois à l'écouteur 42 et à un filtre 46, dont le gain Go et la phase
ΔΦo sont réglables par l'opérateur. L'opérateur a la possibilité de régler le gain
et la phase du filtre 46 pour un signal sinusoïdal de fréquence f donnée jusqu'à constater
une annulation du son perçu au niveau de son oreille interne I. L'opérateur fournit
donc le gain et la phase du filtre 46 pour chaque fréquence f, permettant une annulation
du son perçu au niveau de l'oreille interne. En notant Hg la fonction de transfert
du filtre 46, H
TO la fonction de transfert du transducteur 8 et H
TA la fonction de transfert de l'écouteur 42, la relation suivante est vérifiée :
[0034] Ainsi, il en est déduit le rapport R=H
CA/H
CO :
[0035] La fonction de transfert Hg est obtenue par mesure comme expliqué ci-dessus et mémorisée,
et les fonctions de transfert respectives du transducteur 8 et de l'écouteur 42 sont
connues. Par conséquent, il est possible de calculer le rapport R.
[0036] En variante, le protocole expérimental est répété pour une pluralité d'opérateurs,
permettant ainsi d'obtenir une pluralité de mesures subjectives pour la fonction de
transfert Hg dans l'ensemble de fréquences, et d'en déduire une fonction de transfert
moyenne.
[0037] Ainsi, l'équation (Eq 4) permet de déterminer la fonction de transfert H
FO du filtre 32 à appliquer afin de réaliser une annulation du signal sonore ambiant
Sb, capté par le microphone 40, par conduction osseuse via un transducteur 8.
[0038] Il est à noter que d'un point de vue calculatoire, il est possible de combiner les
équations (Eq 4) et (Eq 6), ce qui permet d'obtenir la relation simplifiée suivante
pour l'obtention de la fonction de transfert H
FO du filtre 32 :
[0039] La fonction de transfert H
FO est donc calculable par application de l'équation (Eq 7) ci-dessus, dans laquelle
H
g est la fonction de transfert mesurée comme ci-dessus. Les fonctions de transfert
Hm ·
HTA et
sont déterminées de manière connue dans le domaine de la réduction active de bruit,
à l'aide d'un mannequin acoustique dans une chambre acoustique, avec un balayage de
fréquence de 20Hz à 20000Hz.
[0040] Selon un deuxième mode de réalisation, dans un dispositif acoustique de réduction
de bruit comportant deux modules acoustiques 4 de réduction de bruit, une fonction
de transfert adaptée est appliquée, prenant en compte une propagation osseuse transverse,
c'est-à-dire une conduction osseuse du signal vibratoire émis par le transducteur
situé à gauche jusqu'à l'oreille interne droite de l'utilisateur, et vice-versa, une
conduction osseuse du signal vibratoire émis par le transducteur droit jusqu'à l'oreille
interne gauche.
[0041] De manière analogue à la figure 3, la figure 5 illustre schématiquement le principe
de la réduction de bruit par voie ostéophonique dans ce deuxième mode de réalisation.
[0042] Deux transducteurs 8, 8' similaires et ayant une même fonction de transfert H
TO sont considérés, respectivement annotés G pour le transducteur gauche positionné
sur la partie latérale gauche du crâne de l'utilisateur et D pour le transducteur
droit positionné sur la partie latérale droite du crâne de l'utilisateur. Les points
I
G et I
D désignent respectivement les points d'entrée de l'oreille interne gauche et droite
de l'utilisateur, et les points E
G et E
D les points d'entrée respectifs des entrées des conduits auditifs externes gauche
et droit. Il est supposé que les conduits auditifs internes d'une part et la conduction
osseuse d'autre part sont symétriques pour un utilisateur moyen, donc une seule fonction
de transfert Hco de conduction osseuse directe, Hco' de conduction osseuse transverse
et H
CA de conduction aérienne de l'oreille moyenne et de l'oreille interne sont considérées.
[0043] Extérieurement, dans la plus grande généralité, il est considéré que les fonctions
de transfert respectives gauche et droite correspondant à l'environnement bruité peuvent
être différentes, et qu'un filtrage différent H
FOG et H
FOD est appliqué en entrée des transducteurs 8, 8' respectifs. Un microphone 48 est relié
au transducteur gauche 8 et un microphone 50 est relié au transducteur droit 8'.
[0044] Afin d'obtenir une annulation simultanée du bruit perçu au niveau des deux oreilles
internes, les relations suivantes sont vérifiées :
[0045] On obtient ensuite par calcul :
[0046] Où
comme précédemment, et
est le rapport entre fonction de transfert de conduction osseuse transverse et fonction
de transfert de conduction osseuse directe.
[0047] Si on considère que les fonctions de transfert
et
sont identiques :
les équations (Eq 10) et (Eq 11) se simplifient comme suit :
[0048] Pour déterminer les fonctions de transfert, il est utile de déterminer le rapport
P des fonctions de transfert respectives de conduction osseuse directe et transverse.
Dans un mode de réalisation, la relation suivante est utilisée :
[0049] Ainsi, il suffit de déterminer
rapport qui peut être mesuré de manière expérimentale, de manière analogue au protocole
expérimental décrit ci-dessus en référence à la figure 4.
[0050] Une représentation schématique d'un protocole de détermination du rapport P' est
illustrée à la figure 6. Dans le mode de réalisation de la figure 6, l'écouter 52
est placé sur le côté opposé du transducteur ostéophonique 8. Le conduit de l'oreille
externe du même côté que le transducteur ostéophonique 8 est obstrué par un bouchon
d'oreille 58 par exemple, afin d'éviter toute interférence.
[0051] Un générateur 54 de signaux sinusoïdaux, analogue au générateur 44 de la figure 4,
permet de générer successivement des signaux pour un ensemble de fréquences variant
de 20 Hz à 20kHz. Un signal sinusoïdal généré est transmis à la fois à l'écouteur
52 et à un filtre 56, dont le gain G'
o et la phase ΔΦ'o sont réglables par l'opérateur. L'opérateur a la possibilité de
régler le gain et la phase du filtre 56 pour un signal sinusoïdal de fréquence f donnée
jusqu'à constater une annulation du son perçu au niveau de son oreille interne I.
L'opérateur fournit donc le gain et la phase du filtre 56 pour chaque fréquence f,
permettant une annulation du son perçu au niveau de l'oreille interne, entre le signal
sonore fourni via l'écouteur 52 et le signal vibratoire transmis par conduction osseuse
à partir du transducteur 8. En notant H'
g la fonction de transfert du filtre 56, H
TO la fonction de transfert du transducteur 8 et H
TA la fonction de transfert de l'écouteur 52, la relation suivante est vérifiée :
[0052] Le rapport P' s'en déduit par :
[0053] La fonction H'
g est fournie par mesures expérimentales, pour un ensemble des valeurs de fréquences
dans la bande de fréquence considérée. Le rapport P' peut alors être calculé pour
cet ensemble de fréquences grâce à la relation fournie par l'équation (Eq 15), connaissant
les fonctions de transfert respectives de l'écouteur 52 et du transducteur 8. Ensuite,
il est possible d'en déduire les fonctions de transfert H
FOG et H
FOD à implémenter par les filtres respectifs des cartes électroniques associées à chaque
module acoustique 4.
[0054] Il est à noter que les fonctions de transfert H
FOG et H
FOD sont calculables directement par les formules suivantes, utilisant le rapport
H
g et H
g' étant les fonctions de transfert des filtres respectifs 42 et 52, déterminées expérimentalement
comme exposé ci-dessus.
[0055] Les fonctions de transfert H
FOG et H
FOD sont obtenues, selon un mode de réalisation de l'invention, par la mise en œuvre
d'un procédé de détermination dont les principales étapes sont illustrées à la figure
7.
[0056] Dans une première étape 70, les fonctions de transfert H
bG et H
bD représentatives des caractéristiques de l'environnement sont calculées, selon un
protocole de mesure classique en chambre acoustique comme brièvement expliqué ci-dessus.
[0057] Ensuite, les fonctions de transfert H
g et H
g' sont évaluées à l'étape suivante 72, selon par exemple les protocoles décrits en
référence aux figures 4 et 6.
[0058] A l'étape 74, la fonction de transfert combinée
Hm ·
HTA est évaluée, selon un protocole de mesure classique en chambre acoustique comme brièvement
expliqué ci-dessus.
[0059] Les étapes 70, 72 et 74 peuvent être effectuées dans un ordre différent. Les fonctions
de transfert déterminées sont mémorisées dans une mémoire associée à un processeur
de calcul pour l'ensemble des fréquences de l'intervalle de fréquence souhaité.
[0060] Ensuite, à l'étape 76, les fonctions de transfert H
FOG et H
FOD sont déterminées par calcul, en utilisant les relations (Eq 16) et (Eq 17) ci-dessus.
[0061] Les fonctions de transfert respectives ainsi déterminées sont implémentées chacune
dans un circuit électronique de filtrage d'une carte de filtrage d'un module acoustique
de réduction ostéophonique de bruit.
1. Akustikvorrichtung (2), welche imstande ist, eine aktive Geräuschreduzierung zu realisieren,
und welche am Kopf eines Nutzers positionierbar ist, aufweisend zumindest ein Mikrofon,
welches imstande ist, ein Schallsignal zu erfassen, welches repräsentativ für ein
Umgebungsgeräusch ist, und aufweisend zumindest ein Akustikmodul (4) zur aktiven Geräuschreduzierung,
welches einen osteophonischen Wandler (8, 8') aufweist, welcher imstande ist, an einer
seitlichen Flanke des Kopfes des Nutzers angeordnet zu sein und ein Schwingungssignal
auszusenden, welches mittels Knochenleitung in ein akustisches Signal umgewandelt
wird, welches vom Nutzer wahrnehmbar ist, und welcher mit dem besagten Mikrofon verbunden
ist, wobei das besagte zumindest eine Akustikmodul (4) einen elektronischen Schaltkreis
(30) aufweist, welcher imstande ist, ein Schwingungssignal zu erzeugen, welches es
erlaubt, die Wahrnehmung des besagten Umgebungsgeräuschs durch den Nutzer abzuschwächen,
wobei die Akustikvorrichtung (2)
dadurch gekennzeichnet ist, dass der besagte elektronische Schaltkreis (30) ein Filter (32) implementiert, welches
mittels einer Übertragungsfunktion (H
FO) zur Geräuschreduzierung definiert ist, wobei die besagte Übertragungsfunktion (H
FO) ermittelt wird, um eine Geräuschabschwächung in Abhängigkeit von einer direkten
Knochenleitung zwischen dem osteophonischen Wandler (8, 8') und dem Innenohr eines
Nutzers, welches sich auf derselben Seite wie der besagte Wandler (8, 8') befindet,
zu realisieren, wobei die besagte Übertragungsfunktion (H
FO) zur Geräuschreduzierung abhängig ist von einem Verhältnis einer Übertragungsfunktion
der direkten Knochenleitung (Hco), welche repräsentativ für die besagte Knochenleitung
ist, und einer Übertragungsfunktion der Luftleitung (H
CA), welche repräsentativ für die Leitung eines akustischen Luftsignals zwischen einem
Außenohr und einem Innenohr ist, welche sich auf einer selben Seite befinden,
und dadurch, dass die besagte Übertragungsfunktion definiert ist durch die Formel:
wobei R das Verhältnis einer Übertragungsfunktion der direkten Knochenleitung (Hco)
und einer Übertragungsfunktion der Luftleitung (H
CA) ist,
eine für das Umgebungsgeräusch charakteristische Übertragungsfunktion ist,
Hm die Übertragungsfunktion des besagten Mikrofons ist und
HTO die Übertragungsfunktion des besagten osteophonischen Wandlers (8, 8') ist.
2. Akustikvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei besagte Akustikmodule (4) zur aktiven Geräuschreduzierung aufweist, welche
imstande sind, an entgegengesetzten lateralen Seiten des Kopfes eines Nutzers angeordnet
zu sein.
3. Akustikvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Akustikmodul (4) zur aktiven Geräuschreduzierung aufweist einen osteophonischen
Wandler (8, 8') und einen elektronischen Schaltkreis (30), welcher ein Filter (32)
implementiert, welches mittels einer Übertragungsfunktion (HFO) zur Geräuschreduzierung definiert ist, wobei die besagte Übertragungsfunktion (HFO) ermittelt wird in Abhängigkeit von einer direkten Knochenleitung (Hco) und von einer
Quer-Knochenleitung (Hco') eines Schwingungssignals aus dem entgegengesetzten osteophonischen
Wandler.
4. Akustikvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist ein Modul zur aktiven Geräuschreduzierung mittels des Übertragens
eines Luft-Gegengeräusch-Signals.