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Système de protection sonore déployable
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention se rapporte à un système de protection acoustique, permettant de
sécuriser une zone déterminée et de maïtriser à distance un individu ou un
groupe d'individus se trouvant dans cette zone et ayant un comportement
potentiellement hostile. Il entre dans le contexte plus général des
dispositifs
de protection.
CONTEXTE DE L'INVENTION - ART ANTERIEUR
Parmi les différents types de dispositifs de protection permettant de
maitriser
à distance un individu isolé ou de disperser et désorganiser un groupe
potentiellement dangereux, on compte les dispositifs sonores. Ces dispositifs
encore appelés armes sonores non létales ou SNL présentent de nombreux
avantages tant par leur efficacité que par leur relative innocuité. Parmi ces
avantages on peut notamment citer:
- Une certaine limitation de la portée liée à l'atténuation des ondes
sonores en espace libre, qui permet de délimiter la zone d'action de tels
dispositifs. L'amplitude des ondes sonores décroit en effet de manière connu
en fonction de l'inverse du carré de la distance parcourue par I'ônde.
- La possibilité d'employer des fréquences graves ou très graves,
de l'ordre de quelques dizaines de Hz à une centaine de Hz. Ces fréquences
audibles ont en particulier un effet mécanique sur l'oreille interne humaine.
Ces effets se traduisent généralement chez l'individu atteint par des nausées
voire des pertes d'équilibre et l'empêchent ainsi de progresser.
- L'absence d'effets physiologiques persistant à long terme, pour
un niveau sonore émis ne dépassant pas un certain seuil, la gêne
occasionnée aux individus atteints par l'onde acoustique disparaissant dès
lors que cesse l'émission.
Ces avantages de maîtrise et de réversibilité des effets, démarquent
avantageusement les SNL des autres types de dispositifs mécaniques ou
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électromagnétiques qui peuvent être également utilisés dans des
circonstances analogues.
En revanche les dispositifs de protection sonores actuels présentent certains
inconvénients bien connus, liés en particulier aux basses fréquences
utilisées.
Un premier inconvénient réside dans les difficultés qui apparaissent lorsque
l'on veut générer des niveaux sonores très forts, de l'ordre de 130dB,
nécessaires pour assurer son efficacité au dispositif. Cette opération
né ssite en général la mise en oruvre d'équipements volumineux et lourds,
comme par exemple d'énormes enceintes acoustiques, dont le déploiement
et la mis en oruvre rapide sont peu envisageables.
Un second inconvénient tient au manque de directivité des dispositifs
acoustiques de protection utilisant des équipements compacts formant une
source acoustique unique. Pour de telles sources le diagramme
d'insonification couvre une zone étendue et peut couvrir en particulier
l'espace ou est placé l'utilisateur du système. Cet inconvénient se traduit
par
une maîtrise difficile des effets collatéraux.
En troisième lieu on peut également soulever l'inconvénient que présentent
les dispositifs actuels en matière de logistique de transport et de mise en
oruvre. Cet inconvénient est particulièrement sensible dans le cas de
systèmes employant des sources d'énergie pneumatiques ou thermiques,
par exemple à base de gaz combustibles, comme les source utilisant des
tubes résonateurs quart d'onde.
PRESENTATION DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients
précités, et en particulier de proposer un système permettant une
manutention simple et un déploiement rapide, tout en assurant une maîtrise
précise des niveaux acoustiques émis ainsi que de l'emplacement et de la
taille des zones d'insonification. Il est ainsi possible de définir dans la
zone
d'intérêt, des zones interdites soumise à une insonification intense, mais
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également des zones "tranquille", soumise à une insonification de faible
intensité, à l'usage des opérateurs qui mettent le dispositif en oeuvre.
A cet effet l'invention a pour objet un dispositif de protection sonore
déployable comportant plusieurs sources électroacoustiques compactes
mises en réseau dont les émissions sont combinées en phase de façon à
obtenir une insonification ayant le diagramme voulu.
Le système selon l'invention comporte avantageusement des moyens
permettant de connaitre la position relative des différentes sources
électroacoustiques et de déterminer la loi de combinaison en phase voulue.
Le système selon l'invention présente également l'avantage d'utiliser une
source d'énergie électrique disponible par ailleurs.
Le système présente encore l'avantage d'être simple à déployer, le
positionnement au sol des différentes sources électroacoustiques ne
requérant pas nécessairement une grande précision.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantage pourront apparaitre dans la description
qui suit, description réalisée en regard des figures annexées qui
représentent:
- La figure 1, un schéma de principe présentant les éléments du
système selon l'invention,
- La figure 2, une illustration schématique du procédé de
détermination de la position relative des sources électroacoustiques.
DESCRIPTION DETAILLEE
Comme l'indique la figure 1, Le système selon l'invention comporte N
sources sonores réparties en différents endroits de la zone d'intérêt. Les
sources sonores sont constituées par des sources électroacoustiques
passives 11, alimentées par un signal électrique extérieur de basse
fréquence. Elles sont typiquement constituées d'un transducteur et d'une
caisse de résonance. Le transducteur peut être par exemple haut-parleur de
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forte puissance, destiné à la reproduction des basses fréquences et monté
sur un baffle adapté. La caisse de résonance est réalisée en matériaux
rigides et étanches vis-à-vis de l'air. Elle peut par exemple être du type
"cavité de Helmholtz", ou encore tube résonateur "quart d'onde".
De tels haut-parleurs présentent l'avantage d'être aisément reproductibles et
de permettre la réalisation de plusieurs sources aux performances
sensiblement identiques. Mais il est également possible d'utiliser d'autres
types de transducteurs, comme des transducteurs sonar par exemple, en
adaptant la fréquence de ces transducteurs aux besoins.
Les générateurs électroacoustiques qui constituent les N sources
11 sont attaqués par des signaux électriques synthétisés par un générateur
de forte puissance 12 qui délivre un signal électrique pour chaque source, à
partir d'un même signal de référence. Les signaux destinés à chacune des
sources sont déphasés les uns par rapport aux autres. Les déphasages sont
réalisés par un dispositif déphaseur qui peut être incorporé au générateur ou
bien être un élément séparé. Le dispositif déphaseur permet d'appliquer à
chaque signal une phase réglable. Les N sources11 sont par ailleurs reliées
au générateur, par exemple au moyen de liaisons électriques bifilaires 13.
Les liaisons entre sources et générateur étant des liaisons électriques, elles
sont peu sujettes à l'affaiblissement et peuvent donc faire plusieurs dizaines
de mètres.
L'application d'un déphasage spécifique à chacun des signaux qui attaquent
les sources électroacoustiques 11, permet de réaliser, connaissant la
position relative des sources, un réseau de sources ayant un diagramme
d'émission de direction et de forme déterminée.
La division de ce signal de puissance de référence en N signaux réglables en
phase peut être réalisée par des moyens passifs tels que des
transformateurs, des bobines d'induction réglables ou encore des capacités.
Mais elles peuvent aussi plus avantageusement être réalisées par des
moyens actifs bien connus et disponible dans le commerce.
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Les signaux délivrés aux sources sonores 11 sont nécessairement des
signaux de forte puissance, de l'ordre de plusieurs centaines à plusieurs
milliers de watts, C'est pourquoi le générateur est lui-même un dispositif de
très forte puissance qui nécessite une alimentation 14 dimensionnée en
5 conséquence. A cet effet le générateur peut par exemple être alimenté par le
réseau de distribution électrique local, en 220V - 50 Hz par exemple, ou par
un ou plusieurs groupes électrogènes mobiles. Le système selon l'invention
présente donc l'avantage de dissocier physiquement les sources sonores 11
à déployer sur zone des moyens d'énergie. Ceci a pour conséquence de
rendre les sources plus aisément manipulables que dans les systèmes
connus de l'art antérieur.
La structure du système selon l'invention présente l'avantage de
séparer la production des signaux de forte puissance qui est effectuée de
manière centralisée par le générateur 14, de la production des signaux
sonores réalisée par les sources électroacoustiques 11. Ainsi les sources
électroacoustiques sont moins lourdes et par conséquent plus facile à
déployer sur la zone d'intérêt.
Afin d'assurer le contrôle manuel ou automatique d'ensemble, le système
selon l'invention comporte également un calcylateur 15 doté d'une interface
utilisateur. Ce calculateur a en particulier la charge de calculer la valeur
du
déphasage à appliquer sur chacun des signaux issus du générateur 14, en
fonction du diagramme d'émission acoustique souhaité.
La mise en oeuvre du système selon l'invention est réalisée par le
déploiement sur la zone d'intérêt des différentes sources électroacoustiques
11, leur raccordement au générateur 12 et le raccordement du générateur au
calculateur 15 et à une source d'énergie électrique 14. Le système étant
ensuite mis en marche, chaque source acoustique est attaquée par un signal
électrique présentant une phase donnée par rapport au signal de référence.
On constitue ainsi un réseau de sources acoustiques dont le fonctionnement
peut être décrit de manière simplifiée comme suit.
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On prend comme hypothèse simplificatrice que les N sources 11
électroacoustiques sont des sources ponctuelles en regard de la longueur
d'onde du signal émis, l'on considère que le signal émis est sinusoïdal pur
(signai continu en bande étroite). On choisit en outre des sources 11
émettant un même niveau.
Les sources étant disposées sur un terrain elles sont localisées par leurs
coordonnées relatives (xl yl z1), (x2 y2 z2)......(xn yn zn).
On considère par ailleurs un point C de coordonnées (xc yc zc). Ce point est
par exemple situé au centre de la zone d'intérêt.
Les lois de l'acoustique enseignent que le signal sonore sera maximum au
point C si les signaux issus des N sources 11 arrivent en phase au point C.
Si dic, d2C, dNc sont les distances des sources à la cible, 91, (P2... (PN les
corrections de phase apportées, et ?ti la longueur d'onde des signaux émis,
pour que les signaux émis par les différentes sources sonores arrivent en
phase au point C, il suffit que les relations suivantes soient vérifiées :
91 + 21Idlc 2k lII + a
(P2 + 2IId2C /1 = 2k2ïI+a
cpN+2IIdNC /X =2kNII+a
Dans ces relations, ki, k2, ...KN sont des nombres entiers qui peuvent
notamment être déterminés en fonction de la position des différentes sources
11 les unes par rapport aux autres. D'autre part, a est un terme constant, que
l'on peut simplement choisir égal à zéro.
A partir de ces relations et connaissant l'emplacement relatif des sources 11
et la position de la cible, le calculateur du dispositif selon l'invention
peut très
simplement calculer les corrections de phase à apporter pour obtenir un
signal d'amplitude maximum dans une zone entourant le point C.
Par suite, pour obtenir un signal d'amplitude minimum dans certaines zones
dites "tranquilles", et en particulier la zones où évolue l'opérateur, il
suffit de
légèrement modifier la loi de phase optimale décrite ci-dessus, sans modifier
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les amplitudes supposées égales des signaux émis, de telle façon que la
sommation vectorielle des signaux au centre des zones tranquilles soit quasi
nulle.
Le calcul des lois de phase permettant d'obtenir un réseau de sources
sonores avec un diagramme d'insonification présentant des maxima et des
minima n'est pas décrit dans ce document. Il fait appel à des techniques de
calcul numérique semblables à celles utilisé dans le domaine des antennes
radar à réseaux bien connues des radaristes et des acousticiens (acoustique
sous-marine et aérienne). Ces techniques réalisent une optimisation
numérique permettant de trouver des lois de commande maximisant le signal
en un point, sous contrainte de minimisation en d'autres points. Parmi ces
méthodes on peut citer à titre d'exemple les méthodes dites de "phase only
nuiling" utilisées pour les antennes à balayage électronique des radars.
La mise en réseau plusieurs sources électroacoustiques compactes
permet de bénéficier d'un gain en volume sonore. En effet, pour N sources
mises en réseau, on peut espérer de manière connue un facteur de gain
associé maximum égal en décibels à 20 Log (N). La mise en réseau permet
également de bénéficier d'une directivité accrue, sachant qu'en première
approximation la largeur du diagramme de rayonnement est une fonction
proportionnelle à la longueur d'onde du signal acoustique et inversement
proportionnelle à la taille du réseau.
Comme on peut le constater au travers de la description qui
précède, les principes de mise en ceuvre et de fonctionnement du système
selon l'invention apparaissent relativement simples. Cette simplicité répond
avantageusement aux exigences de rapidité de mise en place du dispositif
en cas de nécessité d'une action rapide. Le déploiement des sources sur la
zone d'intérêt ne fait l'objet que d'exigence de positionnement facile à
satisfaire. Il suffit en particulier que les sources soient positionnées de
telle
sorte que l'espacement entre sources soit au moins égal à une demi-
longueur d'onde, de façon à limiter les problèmes de couplage entre sources
et à assurer ainsi un fonctionnement optimum du réseau. Les sources S1,
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S2, SN doivent également être, de préférence, disposées d'un seul côté par
rapport à la base afin d'éviter d'éventuels problèmes de levée d'ambiguïté.
En ce qui conceme le positionnement des sources il convient de
constater que ce positionnement détermine la largeur du réseau constitué,
qui détermine elle-même la directivité de ce réseau suivant un axe
perpendiculaire à(S1 SN). A ce titre on peut en première approximation
écrire:
e=~
d
où 0 représente la largeur à 3 dB du diagramme de rayonnement
exprimée en radians, X étant la longueur d'onde du signal acoustique et d la
largeur du réseau.
Les performances obtenues par un tel système notamment en
terme de dynamique dépendent du nombre de sources mises en oeuvre, des
caractéristiques des sources et de la géométrie du réseau, mais dans la
pratique des écarts de niveau supérieurs à 20 dB, entre zones tranquilles et
zones d'insonification maximum sont facilement accessibles.
Cette simplicité de mise en oruvre trouve sa contrepartie dans le fait que le
système selon l'invention doit être en mesure d'effectuer la localisation des
sources et en particulier de déterminer la position relative des sources les
unes par rapport aux autres. Cette détermination doit être réalisée avec une
précision relativement grande, typiquement de l'ordre du centimètre.
Pour réaliser cette localisation, il est possible d'ajouter au système des
équipements complémentaires. On peut par exemple envisager d'équiper
chaque source d'un récepteur GPS et d'une liaison numérique filaire ou radio
avec le calculateur du système, le calculateur effectuant ensuite le calcul
des
positions relatives des cibles. On peut également envisager tout autre moyen
de mesure approprié, optique ou radioélectriques par exemple. Cependant
de tels façons de déterminer la position relatives des cibles présentent
l'inconvénient de nécessiter l'ajout au système d'éléments matériels dont
l'unique rôle est la mesure de la position des sources. Ces éléments outre
qu'ils complexifient l'ensemble, tendent à rendre le système moins simple à
mettre en aeuvre.
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Pour déterminer précisément la position relative des différentes
sources après leur déploiement, le système selon l'invention effectue, dans
une forme de réalisation préférée, une localisation par mesure de retard de
propagation acoustique et calcul de triangulation dont le principe est
illustré
par la figure 2. Pour des raisons de simplification de la description le
principe
de la mesure est décrit dans le cas de sources déployées sur un terrain plat
Cette méthode de localisation reste bien évidemment généralisable.
Cette méthode consiste à mesurer les distances entre (SI, S2), (Sl,
S3), (Sl, SN), (SN, S2), (SN, S3), ce qui définit les triangles (Si, S2, SN)
et (SI,
S3, SN) qui ont la base (SI, SN) commune, à une ambiguïté de symétrie par
rapport à cette base, ambiguïté qui peut être levée par une légère contrainte
de déploiement des sources comme par exemple l'orientation des sources
dans un seul demi-plan par rapport à la base. Le but est de déterminer par
un quelconque procédé géométrique connu la localisation relative des
sources SI, S2, SN.
Le procédé de mesure, appliqué aux sources Si et S2 prises comme
exemple peut être décrit par les étapes suivantes:
- Envoi par le générateur, à l'instant to, d'une impulsion électrique 21
sur la liaison électrique vers Si, ce qui provoque la l'émission d'une onde
sonore 22 (sinusoïde amortie à la fréquence de résonance) par Si.
- Réception par S2 de l'onde émise, après un temps de propagation. A
cet effet, si la source comporte un haut-parleur autorisant la fonction
microphone c'est le haut-parleur qui reçoit l'onde émise par Sl. Dans la
négative S2 doit comporter un microphone séparé pouvant être mis en
service pour les opérations de localisation.
- Envoi par S2 au générateur du signal électrique 23 correspondant au
son reçu. Cet envoi est réalisé par la liaison électrique reliant S2 au
générateur.
- Mesure du retard entre impulsion émise 21 et signal reçu 23, après
amplification et mise en forme, le retard mesuré correspondant
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principalement à la propagation acoustique entre S1 et S2, les retards de
transmission électrique des signaux étant négligeables devant le temps de
propagation du signal sonore, et de surcroît calculables.
5 - Détermination de la distance séparant S, et S2 par le calculateur.
L'opération de calcul de retard est ainsi répétée autant de fois que le
système comporte de sources.
Pour des raisons pratiques de mise en ceuvre sur le terrain, le nombre de
10 source est nécessairement très limité, inférieur dans la pratique à une
vingtaine. La charge de calcul reste donc limitée aussi bien en ce qui
concerne l'opération de localisation des sources 11 que le calcul des valeurs
de déphasages à appliquer aux différents signaux électriques excitant les
sources. L'exécution en temps réel de ces différentes tâches par un
calculateur du commerce, par exemple du type PC portable, ne pose aucun
problème.
Un tel procédé de localisation est a priori très avantageux car il ne
nécessite
que peu de matériel complémentaire aux éléments déjà employés pour
réaliser la fonction première du système que constitue la protection. D'autre
part,
Le système tel qu'il est décrit dans le texte qui précède représente donc une
solution avantageuse au problème posé par la réalisation d'un système de
protection acoustique ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur.
Ses principaux avantages tiennent d'une par dans la séparation des
différents éléments composant ce système, et à la facilité et à la de
constitution d'un réseau de source, constitution qui ne nécessite pas un
positionnement précis des sources les unes par rapport aux autres et qui
permet un déploiement opérationnel rapide.
Grâce à sa structure en réseau de sources, le système selon l'invention
présente également l'avantage important de permettre la formation d'un
diagramme d'insonification présentant à la fois de zones actives et de zones
tranquilles.
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La solution acoustique décrite précédemment présente le léger inconvénient
d'être sensible au vent. En effet, la vitesse de propagation du son dans l'air
dépend de divers paramètres (température, pression...). Le but final étant
d'ajuster le retard de ces mêmes signaux acoustique vers la zone d'intérêt,
cette mesure de temps de propagation représente le paramètre le plus
pertinent à mesurer. Le seul inconvénient réside dans la perturbation
apportée à cette mesure par le vent, dont le vecteur directionnel à un instant
donné fait des angles différents avec les vecteurs (S1, S2), ...., (S1, SN).
Cependant cette perturbation peut être compensée en utilisant un dispositif,
de type anémomètre par exemple, permettant de mesurer la vitesse du vent
et en apportant une correction appropriée aux retards mesurés. Cette
solution semble, dans tous les cas, plus simple et plus facile à mettre en
oeuvre que d'autres solutions possibles utilisant le même principe de
triangulation à partir de mesures de retard sur des impulsions
électromagnétiques, radio ou lumineuses, qui ont l'avantage d'être
indépendantes de la vitesse du vent, mais aussi l'inconvénient corollaire de
ne pas compenser automatiquement les dispersions de vitesses de
propagation du son dans l'air. Ces solutions présentent de plus l'inconvénient
de nécessiter la mise en place de moyens supplémentaires sur les sources
comme par exemple un émetteur récepteur et une antenne.
