Barrière acoustique ajourée permettant un traitement hybride passif/actif du bruit. Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs et procédés de réduction acoustique.

Il existe actuellement deux grandes familles de dispositifs de réduction acoustique : la famille des dispositifs de réduction acoustique passifs et la famille des dispositifs de réduction acoustique actifs.

Dans la première famille, on trouve les barrières acoustiques ou écran acoustique à base de matériaux inertes. Par exemple les écrans ou murs antibruit en béton présentent une certaine efficacité pour contrer les bruits routiers. Parmi les dispositifs passifs de réduction acoustique, on trouve également les vitrages des fenêtres qui fonctionnent comme un mur antibruit dès lors que la fenêtre est fermée.

Les inconvénients des dispositifs de réduction acoustique passifs sont l'opacité visuelle et généralement thermique. En effet, les murs antibruit ne permettent généralement pas d'échange thermique ou le limitent très fortement et sont visuellement opaques. En outre, on sait que les écrans acoustiques créent généralement une rémission sonore par diffraction au sommet de l'écran.

Concernant les fenêtres, elles ne possèdent aucun traitement sonore dès lors qu'elles sont ouvertes.

Globalement, le contrôle passif du bruit par effet d'écran consiste à interposer un mur, une porte, une paroi ou bien un vitrage entre la source du bruit et le lieu dans lequel on souhaite obtenir un bruit réduit.

La seconde famille consiste en un contrôle actif du bruit. Un exemple de contrôle actif est décrit dans le brevet WO 1997/02471. Dans ce document, un contrôle actif de bruit est utilisé pour réduire le bruit de conduit d'aération.

La technologie qui est décrite dans ce document consiste en la réalisation d'un caisson acoustique actif incluant un couple microphone/haut-parleur adapté pour mesurer le bruit primaire émis dans le conduit d'aération et ajuster l'émission du haut-parleur en fonction de ce bruit primaire pour réduire, de manière active, ce bruit primaire tel qu'émis dans le conduit d'aération.

La figure 1 montre la zone d'efficacité ZEP généralement observée avec un système passif de réduction du bruit. On constate que l'efficacité du contrôle passif du bruit est essentiellement concentrée dans le spectre des fréquences audibles mais ne présente une efficacité importante que pour traiter les fréquences aiguës.

La figure 1 présente aussi le spectre du bruit routier SR et on constate que ce type de bruit est caractérisé par une forte concentration sonore dans les fréquences basses. Ainsi les murs antibruit généralement utilisés sont relativement peu efficaces voire pas efficaces du tout selon les fréquences prédominantes du spectre routier SR.

Malgré l'amélioration des dispositifs de réduction de bruit par écran depuis les trois dernières décennies, cette technologie atteint aujourd'hui ses limites et il s'avère désormais difficile d'envisager une amélioration des installations traditionnelles.

La figure 2 représente, à ce sujet, l'amélioration de la zone d'efficacité

ZEP' d'un écran passif lorsque l'épaisseur de celui-ci est doublée par rapport à la zone d'efficacité ZEP représentée sur la figure 1 obtenue pour un mur de 10 cm d'épaisseur. On remarque que la réduction est améliorée pour les fréquences aiguës mais reste pratiquement inchangée pour les basses fréquences.

On sait par ailleurs que l'efficacité des murs antibruit routiers est fonction de leur hauteur. Plus ils sont hauts et meilleure est la diminution de la gêne du bruit routier.

Toutefois quelle que soit la hauteur du mur, on sait qu'il existe un phénomène de réémission sonore par l'arête du mur antibruit. Ce phénomène bien connu est lié à la diffraction sonore du bruit routier sur l'arête du mur qui se comporte comme un réémetteur sonore de ce bruit.

La figure 3 illustre schématiquement ce processus de réémission d'une onde plane arrivant sur la gauche d'un mur 10. Cette onde plane est atténuée par la présence du mur 10 mais également réémise sous forme d'une onde sphérique par l'arête du mur selon le phénomène de diffraction. Ce phénomène altère fortement l'efficacité du mur en créant des zones d'atténuation sonore non homogènes. Afin de permettre de déplacer ce problème de diffraction le plus loin possible du mur, il est possible d'élever un mur le plus haut possible. Cette solution n'en est pas vraiment une dans la mesure où cela augmente fortement les coûts associés à la construction du mur mais également dans la mesure où cela augmente fortement la prise au vent du mur.

L'efficacité de la technologie du caisson acoustique actif est soumise à deux conditions. La première condition est liée à la longueur d'onde et la seconde condition à la rapidité des calculateurs électroniques. Il se trouve que l'efficacité du contrôle actif est en fait limitée pour les fréquences aiguës par des raisons technico-économiques.

Les systèmes actifs se trouvent ainsi être plus efficaces pour les basses fréquences que pour les fréquences élevées. En outre, il n'est actuellement pas possible de réaliser un contrôle actif pour les fréquences élevées, ce qui réduit le champ applicatif de ce contrôle du bruit.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de palier les inconvénients des dispositifs connus de l'art antérieur en proposant un procédé de réduction acoustique passive et active comprenant les étapes :

- fabriquer une pluralité d'éléments de réduction acoustique, comprenant chacun un microphone et un haut-parleur, en réalisant les étapes suivantes, pour chaque élément :

- placer le microphone dans un caisson, réalisé en matériau absorbant acoustique passif ou comprenant un matériau absorbant acoustique passif, à proximité de la surface d'un côté dit principal du caisson ;

- placer dans ce caisson, à côté du microphone, le haut-parleur également à proximité de la surface du côté principal et de manière à ce que la direction d'émission principale du haut-parleur soit substantiellement perpendiculaire au côté principal ;

- disposer côte à côte n éléments de réduction acoustique constituant ainsi une poutre de réduction acoustique dite poutre électro-acoustique ; - disposer m poutres électro-acoustiques côte à côte et séparée par un intervalle et substantiellement parallèles les unes aux autres en dirigeant le côté principal du caisson vers le côté opposé au côté principal de la poutre voisine, pour que les haut-parleurs émettent dans l'intervalle entre deux poutres, constituant ainsi une barrière acoustique à dairevoies combinant un effet passif et un effet actif de réduction du bruit ;

- introduire du matériau absorbant acoustique sur le côté du caisson opposé au côté principal pour ajuster l'impédance acoustique du caisson et éviter l'apparition d'onde stationnaire entre le côté principal d'une poutre et le côté opposé au côté principal de la poutre voisine ;

- pour chaque élément de réduction acoustique, mesurer la fonction de transfert entre le microphone et le haut-parleur ;

- pour chaque élément de réduction acoustique, calculer un filtre électronique de contrôle à contre-réaction à partir de la fonction de transfert entre le microphone et le haut-parleur, cette fonction de transfert étant linéarisée par la présence de matériau absorbant introduit sur le côté du caisson opposé au côté principal, ce filtre électronique permettant, au sein de chaque élément de réduction acoustique, de boucler le haut-parleur sur le microphone électro- acoustiquement en amplifiant la contre-réaction afin d'obtenir un effet d'absorption acoustique en temps réel pour une gamme de fréquences prédéterminée.

L'invention permet donc d'obtenir des barrières acoustiques ajourées combinant de manière harmonieuse le traitement du bruit à l'aide d'un système passif et d'un système actif.

En effet, le système actif étant porté par des structures réalisées à partir de matériaux absorbants acoustiques passifs et judicieusement agencées, on assure une combinaison harmonieuse des deux systèmes actifs et passifs. Les systèmes actifs sont en outre judicieusement placés par rapport aux structures constituant le système passif de manière à optimiser leur fonctionnement en émettant dans l'intervalle entre les structures passives.

Comme la réduction acoustique passive permet une réduction du bruit dans les fréquences hautes et le dispositif actif permet une réduction acoustique au niveau des fréquences basses, un traitement sonore large bande est obtenu selon l'invention.

En outre, on observe des avantages très importants dont la réduction du poids des structures, la possibilité d'une ventilation naturelle au travers du dispositif de réduction acoustique, une diminution de la résistance au vent de la barrière acoustique.

L'invention permet également de traiter le problème de la fenêtre ouverte pour aérer une habitation. En effet, l'invention permet de créer un écran ajouré qui pourra être inséré en lieu et place du vitrage pour laisser passer l'air et bloquer le bruit en basse fréquence dans les passages d'air.

En particulier, l'invention permet de traiter très efficacement les bruits routiers qui sont généralement traités plus efficacement par un contrôle actif plutôt que par un système passif traditionnel.

L'introduction de matériau absorbant acoustique en face de chaque élément permet d'assurer l'absence d'onde stationnaire entre les poutres. Cela pourrait être en effet nuisible car une onde stationnaire se caractérise par des minima et des maxima de bruit liés aux interférences de deux ondes qui vont se propager en sens opposé. Cela est gênant car le contrôle actif est le contrôle de l'onde qui se propage à l'aide d'une autre onde interposée en opposition de phase pas en sens inverse. Dans le cas du contrôle actif, il n'y a donc que des minima et pas de maxima sauf s'il y a réverbération de l'onde en un point. Dans ce cas, en présence du contrôle actif, le matériau absorbant acoustique évite que l'onde ne rebondisse et vienne interférer en sens inverse. Les avantages de la combinaison entre des éléments de contrôle actif du bruit et la présence d'éléments de réduction sonore passifs en synergie avec le contrôle actif sont explicités dans la suite.

La présence de matériau acoustique faisant face aux éléments de contrôle actifs améliore la fonction de transfert de l'espace séparant les éléments de contrôle actif et les structures porteuses de ces éléments indispensables dans le cas d'une barrière à claires-voies. Cela permet de lisser la fonction de transfert d'un point de vue module et phase et de l'optimiser par linéarisation. Le pilotage par le microphone du filtre permet alors de boucler le haut-parleur par le microphone. Cela améliore globalement la bande passante et l'amplitude du contrôle actif de bruit. La combinaison actif/passif rend très efficace la barrière à claires-voies ainsi réalisée selon les principes de l'invention.

L'utilisation des deux principes de réduction du bruit combinés permet d'obtenir une très bonne efficacité pour le traitement des bruits routiers.

L'utilisation de plusieurs éléments de réduction acoustique alignés ainsi que de plusieurs poutres comprenant chacune un alignement d'éléments de réduction acoustique implique la présence d'un contre bruit dû au fonctionnement de chaque appareil pris séparément. L'alignement sur un même côté de la poutre permet une uniformité du traitement de l'onde primaire. Par ailleurs, le parallélisme des poutres permet que l'atténuation sonore soit uniforme sur la barrière. Dans le cas de poutres qui ne seraient pas substantiellement parallèles, une atténuation plus ou moins forte selon la distance entre les poutres serait observée ce qui seraient dommageable. Par les termes « substantiellement parallèles », on entend ici que les poutres peuvent être strictement parallèles ce qui est le cas le plus favorable mais aussi que les poutres puissent faire un léger angle entre elles résultant en un intervalle légèrement trapézoïdal entre elles.

Avec l'invention, le calcul du filtre électronique de contrôle à contre réaction peut permettre de réaliser un filtrage électronique pour contrôler ce contre bruit.

On permet donc que le bruit secondaire venant de chaque caisson soit traité en même temps que le bruit primaire que le dispositif de réduction acoustique est destiné à réduire. On évite ainsi de voir interférer un caisson sur l'autre.

La réalisation du dispositif de réduction acoustique hybride actif/passif selon l'invention permet ainsi de créer des barrières sonores acoustiquement opaques aux fréquences basses et médiums mais optiquement translucides et/ou ouvertes pour permettre le passage de lumière et/ou de flux chauds ou froids et laisser les échanges thermiques s'effectuer.

Les applications de l'invention concernent donc les fenêtres susceptibles d'être ouvertes, les murs routiers antibruit, tous types d'écrans sonores qui sont parfois installer au sommet des toitures d'immeuble comportant des échangeurs aérauliques ou tout autre type de machines bruyantes qui perturbent le voisinage. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le filtre électronique est en outre tel que les émissions des haut-parleurs alignés sur la poutre interfèrent de manière positive et additionnelle.

Ces interférences positives et additionnelles apportent un effet additionnel au simple fonctionnement par contreréaction du filtre.

Selon une réalisation de l'invention, le caisson est commun pour plusieurs éléments de réduction acoustique d'une même poutre.

L'utilisation d'un tel caisson commun pour une pluralité d'éléments de réduction acoustique permet une fabrication facilitée des poutres selon l'invention.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le procédé comprend une étape d'optimisation de la distance entre deux poutres en fonction du résultat acoustique en termes de nombre de décibels et de fréquences de coupures de la réduction active, de l'aspect visuel et de l'échange thermique.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la barrière acoustique présentant une arête libre, le procédé comprend en outre une étape d'installation d'éléments de réduction acoustique sur cette arête libre pour réduire la diffraction sonore.

L'invention permet en effet de réaliser un traitement de la diffraction sonore sur les arêtes des écrans acoustiques au moyen d'un système actif uniquement.

En effet, les systèmes passifs ne peuvent rien contre la diffraction sonore. En revanche, le calcul d'un filtrage spécifique utilisant la fonction de transfert entre chaque microphone et chaque haut-parleur des éléments de réduction acoustique présents sur la poutre acoustique placé en haut d'un écran passif permet de réaliser un contrôle actif du bruit diffracté. Cela permet de réduire de manière conséquente la réémission sonore de l'autre côté de la barrière acoustique selon l'invention.

Dans une réalisation particulière de l'invention, la poutre constituée de pluralité d'éléments acoustiques a remplacé par un haut-parleur de forme longiligne associé à au moins un microphone disposé à proximité du haut- parleur. Cette caractéristique consiste à utiliser une forme simplifiée de haut- parleur qui peut être miniaturisé plutôt qu'une pluralité de haut-parleurs et de microphones alignés.

Avantageusement, la gamme de fréquence prédéterminée est la gamme des basses fréquences inférieures à 500 Hertz.

Cette gamme de fréquence correspond au spectre accessible par les systèmes de réduction acoustique actifs dont l'implémentation reste techniquement possible à des coûts modérés. L'écran ajouré permet donc le traitement des fréquences inférieures. Au-delà de cette fréquence, la barrière naturelle des poutres fait son travail comme un écran normal pour les fréquences aiguës.

L'invention concerne aussi un dispositif de réduction acoustique passive et active comprenant m poutres électro-acoustiques côte à côte et séparées par un intervalle, chaque poutre électro-acoustique comprenant une pluralité d'éléments de réduction acoustique disposés côte à côte, chaque élément de réduction acoustique comprenant un microphone et un haut-parleur placés dans un caisson, réalisé en matériau absorbant acoustique passif ou comprenant un matériau absorbant acoustique passif, à proximité de la surface d'un côté dit côté principal du caisson et de manière à ce que la direction d'émission principale du haut-parleur soit substantiellement perpendiculaire au côté principal, le microphone et le haut-parleur étant reliés à une électronique de contrôle apte à recevoir une mesure de la fonction de transfert entre le microphone et le haut- parleur,

chaque poutre comprenant un matériau absorbant acoustique sur le côté du caisson opposé au côté principal pour ajuster l'impédance acoustique du caisson et éviter l'apparition d'onde stationnaire entre le côté principal d'une poutre et le côté opposé au côté principal de la poutre voisine,

les poutres étant disposées substantiellement parallèles les unes aux autres, côte à côte de manière telle que les côtés principaux des éléments acoustiques sont dirigés vers le côté opposé au côté principal de la poutre voisine pour que les haut-parleurs émettent dans l'intervalle entre deux poutres, constituant ainsi une barrière acoustique à clairevoies combinant un effet passif et un effet actif de réduction du bruit, l'électronique de contrôle comprenant des moyens pour calculer un filtre électronique de contrôle à contre-réaction, pour chaque élément de réduction acoustique, à partir de la fonction de transfert entre le microphone et le haut- parleur, cette fonction de transfert étant linéarisée par la présence de matériau absorbant introduit sur le côté du caisson opposé au côté principal, ce filtre électronique permettant, au sein de chaque élément de réduction acoustique, de boucler le haut-parleur sur le microphone électro-acoustiquement en amplifiant la contre-réaction afin d'obtenir un effet d'absorption acoustique en temps réel pour une gamme de fréquences prédéterminée.

Selon une implémentation préférée, les deux dernières étapes du procédé de mesure des fonctions de transfert et de calcul d'un filtre selon l'invention sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs.

En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en œuvre dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des deux dernières étapes du procédé selon l'invention.

Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable.

L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus.

Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy dise), un disque dur, une mémoire flash, une clé USB etc.

D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question. Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 montre la zone d'efficacité d'un système passif d'atténuation et le spectre fréquentiel du bruit routier ;

- la figure 2 montre la réduction sonore d'un écran passif dont on double l'épaisseur ;

- la figure 3 montre schématiquement un exemple de réémission sonore par l'arête d'un mur ;

- la figure 4 montre une structure de barrière acoustique selon l'invention ;

- la figure 5 montre la combinaison passif/actif obtenue selon l'invention pour le traitement du bruit routier ;

- la figure 6 montre schématiquement une poutre acoustique selon l'invention ;

- la figure 7 montre un schéma d'un élément de réduction acoustique utilisé dans une poutre selon l'invention ;

- les figures 8a et 8b montrent des exemples de barrière acoustique réalisées selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention ;

- la figure 9 montre un exemple de fenêtre munie d'un dispositif de réduction acoustique selon l'invention ;

- la figure 10 montre une expression graphique de la fonction de transfert Hex(ω)dans le plan complexe ;

- les figures lia et 11b montrent des expressions graphiques du module et de la phase d'un système électroacoustique perturbé par des ondes stationnaires ; - les figures 12a et 12b représentent des fonctions de transfert Hex(ω) non optimisées et optimisées par la présence selon l'invention d'un matériau passif placé à l'avant du haut-parleur. Description détaillée d'un mode de réalisation

La figure 4 représente un exemple de structure de barrière acoustique selon l'invention. Entre deux poteaux de fixation 40, sont disposés une pluralité de poutres acoustiques 41, ici 5 (m=5). Ces poutres 41 sont autant de structures linéiques séparées par une distance D permettant la circulation d'air et de lumière.

Les poutres acoustiques 41 constituent des éléments de réduction du bruit passifs. Elles sont ainsi avantageusement réalisées à partir de matériaux absorbants acoustiques passifs ou comprennent des matériaux absorbants acoustiques de manière à permettre une isolation acoustique partielle dans les fréquences hautes.

Selon l'invention, chaque poutre acoustique 41 inclut plusieurs systèmes actifs identiques et indépendants associés physiquement et mécaniquement pour réaliser un effet acoustique actif dans les intervalles d'épaisseur D entre les poutres acoustiques passives. La pluralité de poutres acoustiques 41 permet d'obtenir une combinaison des traitements actifs et passifs.

L'invention permet ainsi d'obtenir un traitement large bande ainsi que représenté sur la figure 5. Sur cette figure, on voit la zone d'efficacité passive ZEP et la zone d'efficacité active ZEA ainsi que le spectre du bruit routier SR. On remarque ainsi que, même si le caractère ajouré du dispositif antibruit entraînent inévitablement une diminution de l'efficacité de la réduction acoustique passive, la réduction acoustique générée par les moyens actifs permet largement de compenser cette diminution puisque les intensités les plus importantes du bruit routier SR se trouvent dans des fréquences basses que le traitement actif permet de traiter.

La figure 6 montre une poutre acoustique 41. Selon l'invention, cette poutre est avantageusement constituée d'un caisson 60 sur lequel sont placés des haut-parleurs 61 et des microphones 62. Chaque couple microphone/haut- parleur constituant un élément de réduction acoustique au sens de l'invention. Sur l'exemple de la figure 6, la poutre 41 comprend quatorze couples microphone-haut-parleur, soit n=14 placé sur un côté du caisson 60 appelé côté principal 63.

On remarque que le côté principal n'est pas visible sur les poutres 41 de la figure 4 puisque, orienté vers le bas, la perspective proposée ne permet pas de les voir.

La figure 7 montre un tel élément de réduction acoustique noté 70 comprenant une enceinte en métal 71 sur le fond de laquelle est placé un absorbant passif 72 par exemple de la laine de roche. Ce matériau absorbant sert pour ajuster l'impédance acoustique dans laquelle va débiter les haut-parleurs du côté principal 63 de la poutre voisine. L'enceinte 71 est par exemple une enceinte acoustique en métal servant de caisson au sens de l'invention.

Au sein de l'enceinte 71, sont placés le haut-parleur 61 et le microphone 62. Le microphone 62 sert de référence pour le calcul de l'émission du haut- parleur 61 comme source secondaire.

La présence d'absorbant passif 72 sur le fond de l'enceinte 71 en métal permet un ajustement de l'impédance acoustique dans laquelle débite les sources secondaires que sont les haut-parleurs placés sur la poutre voisine en regard du fond de la poutre considérée. Dans la barrière acoustique de la figure 4, l'absorbant passif 72 permet d'ajuster l'impédance des haut-parleurs situés sur la poutre au dessus de la poutre considérée puisque les haut-parleurs émettent vers le bas. En fonction de la structure choisie pour la barrière, on note ici que les haut-parleurs pourront émettre vers le haut ou vers le bas, ou encore vers la gauche ou la droite, de la barrière acoustique.

Aussi l'absorbant passif 72 doit être assez absorbant pour éviter que les ondes stationnaires ne s'installent entre le haut d'une poutre et le bas de la poutre voisine, qui est par exemple celle qui émet dans l'intervalle d'épaisseur D situé entre les deux poutres.

Les principes de l'ajustement acoustique sont explicités dans la suite. En effet, lorsque l'on construit un système de contrôle actif de type « feedback » ou rétroaction, il faut caractériser le milieu acoustique pour en connaître ses caractéristiques fréquentielles et le niveau sonore pour chaque fréquence. Un outil appréciable, ainsi que revendiqué, est la mesure de la fonction de transfert entre les transducteurs, microphone et haut parleur qui vont créer l'effet acoustique désiré. Cet effet est une réduction active du bruit dans le cadre de l'invention.

Le premier critère à vérifier dans un contrôle actif de bruit est la stabilité du système en fonctionnement. En effet, le fait de filtrer et d'amplifier le signal sonore émis par le haut-parleur pour obtenir le contrôle actif du bruit crée naturellement une amplification sonore positive et non une réduction sonore ce qui, en cas d'instabilité peut s'avérer préjudiciable.

Un phénomène de cet ordre est bien connu des ingénieurs du son chargés de sonoriser une salle de spectacle : l'effet Larsen. Les ingénieurs du son éloignent les microphones des haut-parleurs pour éliminer l'effet Larsen. Il existe aussi une manière scientifique de traiter ce problème qui s'analyse par un critère physique appelé le critère de Nyquist.

Le critère de Nyquist est une mesure dans le plan complexe de l'expression de la fonction de transfert de la chaîne complète électroacoustique notée Hex(ω): haut-parleur, milieu acoustique (impédance des parois, distance, microphone, amplificateur et filtre de correction).

Lorsque le système bouclé est instable cela revient à écrire que l'équation caractéristique exprimée en module et en phase vérifie, pour une phase nulle, la relation suivante :

( I 1 - K.C(ωi). Hex(ωi) |, 0 ) < ( 0, 0 )

Avec : K le gain, C le filtre de correction et Hex(ω)l'expression complexe de la boucle ouverte électroacoustique.

Dans ce cas le lieu de Nyquist en boucle ouverte vérifie pour les points d'affixe à partie imaginaire nulle (| K.C(ωi).Hex(ωi)|, 0) l'inégalité suivante :

( I K.C(ωi). Hex(ωi) |, 0 )≥( l, 0 )

Le critère de stabilité graphique de Nyquist s'exprime par : « Pour un système linéaire régulier et stable en boucle ouverte, le système bouclé par une réaction sera stable si le lieu de Nyquist n'entoure pas ou bien laisse à droite dans le sens des ωi croissants le point d'affixe (1,0).

Pour chaque fréquence, le lieu de Nyquist en boucle ouverte est calculé. Les points d'intersection de ce lieu de Nyquist avec l'axe des réels sont calculés. La contrainte de stabilité est alors définie à partir de la plus grande abscisse des points d'intersection du lieu de Nyquist en boucle ouverte avec l'axe réel. Elle est notée Rmax. Un exemple de détermination graphique de la contrainte de stabilité Rmax est donné sur la figure 10.

On voit sur cette figure que l'axe réel est coupé plusieurs fois par le lieu de Nyquist en boucle ouverte. La contrainte Rmax d'affixe (0.9, 0) est inférieure à celle du point critique. Le lieu en boucle ouverte du système n'entoure pas le point (1, 0) dans le sens des ω croissants. Le système électro-acoustique est donc stable en boucle fermée pour les valeurs de module et de phase considérés.

Pour résumer ce critère il faut éviter d'avoir une amplification du son lorsque la phase de l'expression complexe du son passe à 0°. Lorsque qu'un effet Larsen se produit c'est qu'il existe une rotation de phase importante et un passage à 0° de celle-ci pour une fréquence dont l'énergie est supérieure à 0 dB. Lorsque les ingénieurs du son éloignent le microphone du haut-parleur, la fonction de transfert, et donc l'amplitude du signal et sa phase, change.

S'il est possible de solutionner ce problème de stabilité de sonorisation par ce moyen empirique, pour un système de contrôle actif de bruit par rétroaction (feedback) ainsi qu'implémenté dans l'invention, il est nécessaire de travailler avec le signal donné par la fonction de transfert du système électroacoustique en boucle ouverte en ce qui concerne son module et sa phase pour éviter tout effet Larsen.

Il est donc nécessaire d'obtenir une réduction sonore dans une bande de fréquence donnée. Ce qui revient à dire de respecter le critère de Nyquist même avec une amplification du son dans une bande de fréquence donnée.

Le problème du contrôle acoustique actif du bruit par contre-réaction est donc posé selon les critères suivants :

- une bande de fréquence choisie ;

- une amplification du son la plus grande possible dans cette bande de fréquence choisie pour obtenir la meilleure réduction sonore possible; - un système stable au sens de Nyquist quand le système fonctionne.

La possibilité de modification de la fonction de transfert est dans ce cas limitée à la modification seulement de la phase puisque la bande de fréquences est choisie et que l'amplification du son est imposée par l'idée même du contrôle actif du bruit.

Dans le brevet antérieur FR 2 595 498 décrivant un casque à contrôle actif du bruit, la solution choisie est de mettre un filtre spécial dit « trèfle » qui permet d'amplifier le son dans une bande passante donnée sans altérer la phase et en limitant la rotation de phase dans la bande fréquentielle de traitement, donc de donner un système stable selon le critère de Nyquist.

La puissance de filtrage donnée par ce filtre « trèfle » est utilisée pour le casque et pourrait être utilisée aussi dans un caisson actif du type de celui de l'invention. Mais le filtre « trèfle » ne résout pas tous les problèmes rencontrés dès lors que les caissons sont positionnés en poutre.

Les limitations du système d'acoustique active utilisant un tel filtre sont liées à la structure électro-acoustique complexe du système. Cette complexité se traduit au sein de la réponse en fréquence Hex(ω) par un module non constant, formé de résonances et d'antirésonances, et d'une phase comportant des rotations ou des avances de phase singulières.

La construction de claires-voies où sont disposées des rangées de caissons dont la face active du haut-parleur débite sur l'arrière de la rangée de caissons suivants avec une distance entre rangées de caissons faible (typiquement inférieure ou égale à 20 cm) crée, dans cet espace confiné, des phénomènes d'ondes stationnaires.

Ces ondes stationnaires altèrent énormément la nature et la qualité de la fonction de transfert pour une utilisation en contrôle actif. Elles provoquent des rotations de phase importantes et des antirésonances significatives au niveau du module du signal. Ces phénomènes sont généralement appelés nœuds sonores. Cela rend tout système bouclé instable au sens de Nyquist et limite la bande passante liée au traitement acoustique actif.

Les figures lia et 11b montrent des courbes représentant un exemple de mesure de fonction de transfert polluée par ces ondes stationnaires.

Une telle fonction de transfert limite le traitement actif, même en utilisant le filtre « trèfle », à la bande fréquentielle [eoa, ωb] à cause de la présence de nombreuses rotations de phase au niveau des annulations de la phase générant des résonances, notamment à Co ₁ , et des antirésonances, notamment à M ₂ . Le tube de Kunt, muni d'une terminaison parfaitement réfléchissante, est un exemple approché de ce type de phénomène avec ondes stationnaires pour lequel la phase est nulle et le module correspond à une fonction cosinus lorsque la position du point de mesure se déplace dans le tube. Une onde acoustique progressive n'apparaît dans ce tube que lorsque la terminaison est de type anéchoïque.

Une fonction de transfert Hex(ω) optimisée dont le module serait le plus constant possible et une phase dont la rotation serait la plus faible possible est envisageable si on travaille sur l'impédance acoustique de cette terminaison anéchoïque dans le tube de Kunt.

Quand une onde acoustique est produite dans un domaine Ω partiellement clos par des frontières r,Je régime ondulatoire se transforme en régime d'ondes stationnaires. L'énergie acoustique contenue dans cet espace est alors déterminée par la nature des parois.

En ce qui concerne la présence de claires-voies, les dimensions sont inférieures ou au plus équivalentes aux longueurs d'ondes pour lesquelles le système actif doit fonctionner. Cela engendre la présence d'ondes stationnaires.

La fonction de transfert Hex(ω) d'un caisson face à une paroi passive absorbante correspond au système à claires-voies selon l'invention combinant le contrôle actif et le contrôle passif. Elle peut s'exprimer par la fonction de transfert du haut-parleur Hhp(ω) modifiée par la charge acoustique avant et arrière liées aux parois.

Le rayonnement du haut-parleur est alors muni d'une impédance acoustique arrière, due à la cavité du caisson et d'une impédance acoustique avant, due à la paroi de matériau passif fixé sur l'arrière du caisson successif.

L'influence des matériaux passifs sur l'émission acoustique du haut- parleur permet de déterminer le rôle du matériau passif mis en vis-à-vis du haut- parleur dans l'expression de la fonction de transfert globale Hex(ω).

Nous pouvons modéliser le haut-parleur en fonctionnement anti-bruit face à une paroi d'une impédance acoustique donnée. La fonction de transfert Hhp(ω) du haut-parleur, considéré comme piston plan, est définie comme étant le rapport de la vitesse de déplacement V(ω) de la membrane, par la tension d'excitation E(ω) délivrée aux bornes du haut-parleur tel que : V (ω) B

V ω, Hjω) =

h ^p E (ω) Z _e Z _{m + (B 1} ) ²

où : B.l est le produit du champ magnétique B de l'entrefer et de la longueur I du bobinage;

Ze est l'impédance électrique;

Zm est l'impédance mécanique.

Dans cette expression de Hhp(ω), les impédances acoustiques des matériaux absorbants à l'avant et à l'arrière du haut-parleur qui modifient son rayonnement acoustique sont introduites. Ces impédances agissent de manière acoustique et mécanique sur la vibration de la membrane. Ces impédances acoustico-mécaniques peuvent donc être additionnées au terme Zm qui représente l'impédance mécanique du haut-parleur. Dans ce cas la fonction de transfert du haut-parleur chargé devient : avec les notations Zar et Zav qui sont respectivement les impédances acoustiques arrière et avant, crées par la présence du matériau passif dans le caisson à l'arrière du haut-parleur et du matériau passif placé face au haut- parleur et collé sur l'arrière du caisson suivant.

Pour calculer ces impédances Zar et Zav, il est utile de faire l'hypothèse que l'onde acoustique émise par le haut-parleur se propage selon une onde plane. L'impédance arrière Zar vérifie alors (en unité pc) la relation suivante :

s 1 - R -j 2R sin(2kl _c J

Scav 1 + R - 2R cos(2kl _c j

avec : s est la surface du piston ;

Scav est la section du caisson considéré;

k = ω / C;

R coefficient de réflexion des parois lié à la présence ou pas de matériau passif acoustiquement absorbant.

La fonction de transfert du haut-parleur chargé par les impédances acoustiques avant et arrière est alors en fait le produit des trois fonctions de transfert suivantes : H _ch f ω) = C _ή (o) H _hp (o) C _E (o)

C _A (ω) et C _B (ω) sont les fonctions de transfert acoustiques respectives de la cavité du caisson et de l'espace confiné entre les claires-voies situé devant le haut-parleur.

Si l'excitation E(ω) du haut-parleur est un bruit blanc, l'expression de Hch(ω) n'est autre que la fonction de transfert du système électroacoustique du caisson couplé à l'espace confiné entre le caisson et le matériau passif de l'arrière du caisson suivant.

Ainsi en considérant que la réponse en fréquence du microphone de mesure est parfaite, tout au moins dans la zone fréquentielle d'étude, la fonction de transfert Hch(ω) est équivalente à la fonction de transfert expérimentale Hex(ω) du système caisson débitant sur une paroi acoustique passive absorbante.

Les variations des trois fonctions de transfert qui composent l'expression de Hch(ω) correspondent donc aux variations de la fonction de transfert Hex(ω).

Il est donc nécessaire de déterminer quels sont les paramètres clefs qui interviennent dans la modification et l'optimisation de la réponse en module et en phase de la fonction de transfert du caisson électroacoustique lorsqu'il débite soit sur une paroi parfaitement réfléchissante ou bien sur une paroi passive acoustiquement absorbante.

On fait ici l'hypothèse que les paramètres Ze, B. I, Zm restent constants pour un haut-parleur donné.

La variation Zar en fonction de R qui varie dans l'intervalle [0,1] fait que l'impédance Zar varie de [+∞,-∞]. Ses valeurs changent de signe et présentent des discontinuités aux bornes de l'intervalle décrit.

Ainsi, lorsque R varie de [0,1], la fonction de transfert Hch(ω) peut varier de zéro à des valeurs très importantes selon les variations de Zar et Zav. Ces variations expliquent l'apparition des rotations de phase rapide ainsi que les résonances et anti-résonances du module observées sur les diagrammes de Bode des fonctions de transfert expérimentales. En ce qui concerne les variations de s et de Scav, elles se traduisent essentiellement par une modification de la valeur du gain pour le module de Hhp(ω) sans toutefois altérer vraiment la phase.

Un lissage des courbes de module et de phase de la fonction de transfert Hex(ω) du système électroacoustique complet est alors obtenu grâce à l'ajout d'un matériau passif qui permet de changer l'impédance acoustique avant du haut-parleur selon l'invention.

Les fonctions de transfert expérimentales Hex(ω) représentées sur les figures 12a et 12b sont issues de mesures effectuées sur un système à claires- voies dont la paroi arrière du caisson en vis-à-vis du haut-parleur est tantôt en métal, tantôt en métal recouvert d'une épaisseur de 5 cm de matériau passif absorbant.

La fonction de transfert non optimisée correspond à des claires-voies dont l'arrière du caisson est démuni de matériau absorbant acoustique passif. La mesure de la fonction de transfert optimisée correspond à des claires-voies équipées de matériau passif selon l'invention.

Il est ainsi vérifié expérimentalement que la fonction de transfert est plus lisse en module et en phase. Le déphasage est alors moins important et le module n'a plus d'antirésonances.

Nous pouvons dire que l'optimisation de la fonction de transfert expérimentale par l'adjonction d'un matériau passif dans l'expression de la fonction de transfert du système de contre réaction en boucle ouverte Hex(ω) réalise une pseudo-linéarisation des expressions de la phase et du module. La combinaison d'éléments de réduction active du bruit avec des éléments absorbants acoustiques passifs permet de réaliser une barrière à claire voies efficace selon les principes de l'invention.

Ainsi pour chaque barrière à claires-voies, il y a lieu d'optimiser Hex(ω) grâce à une combinaison avec des matériaux passifs sur les faces faisant face aux éléments de réduction du bruit actifs. La solution de contrôle actif est alors améliorée en bande passante et en efficacité grâce à l'adjonction d'un matériau passif qui réduit les rotations de phase et éloigne par voie de conséquence le point critique dans le plan complexe. Cette combinaison de contrôle actif/passif permet d'élargir la bande fréquentielle d'atténuation et de permettre au gain d'être augmenté sans risquer de créer rapidement un système instable en boucle fermée dès lors que les éléments de réduction active du bruit sont alignés en poutre puis placés de manière à créer une barrière à claires-voies selon l'invention.

Plus la fonction de transfert est linéarisée grâce à la combinaison avec un matériau passif dans l'expression de la chaîne électroacoustique Hex(ω), plus sont améliorées :

- l'efficacité de l'atténuation acoustique active ;

- la largeur de la bande de fréquences atténuées ;

- la fiabilité du système qui peut être commandé par une électronique plus simple.

L'optimisation de la fonction de transfert réalisée par la combinaison du système de contrôle actif et d'un matériau absorbant acoustique placé en vis-à- vis peut être encore complétée par un choix judicieux de transducteurs dont la fonction de transfert offre peu de rotation de phase et de déformation du module.

Le microphone 62 et le haut-parleur 61 sont reliés à une électronique de contrôle 73. Cette électronique de contrôle 73 comprend un préamplificateur pour le microphone 61, un filtre électronique, par exemple un filtre d'ordre N et un amplificateur de puissance audio relié au haut-parleur 61.

L'association de plusieurs caissons de base tel que représenté sur la figure 7 permet d'obtenir une poutre de traitement acoustique telle qu'utilisée dans l'invention. Dans la réalité, ainsi que présenté sur la figure 6, le caisson est avantageusement mutualisé, sous forme longiligne, pour quatorze éléments de réduction acoustique, chacun composé d'un microphone et d'un haut-parleur.

Les calculs effectués au sein de l'électronique de contrôle 73 assurent que le filtrage de contrôle soit tel que les sources actives interfèrent ensemble de manière positive et additionnelle. Cela permet d'assurer un traitement global homogène.

Selon l'invention, la cohérence de l'ensemble de la barrière acoustique hybride ajourée selon l'invention est permise grâce au réglage du filtrage qui se fait en fonction de la fonction de transfert de chaque caisson indépendant. Plus exactement la fonction de transfert du chemin secondaire, c'est-à-dire du chemin entre le microphone et le haut-parleur de chaque couple microphone/haut- parleur, est utilisée pour réaliser le réglage du filtrage. La fonction de transfert du chemin secondaire est comme sa carte d'identité électro-acoustique qui permet de tout contrôler dans le plan complexe pour la bande de fréquences de traitement possible envisagée.

La mesure de la fonction de transfert entre chaque microphone et le haut-parleur correspondant permet de connaître le module et la phase de ce chemin secondaire pour toutes les fréquences considérées du traitement. Ainsi, il est possible de maîtriser, par calcul, le comportement et la stabilité du couple microphone/haut-parleur en prenant en compte l'ensemble des caractéristiques acoustiques du système pour calculer de manière optimale le filtre solution permettant le maximum de gain pour une stabilité du système assuré.

Un exemple de réalisation d'un contrôle par contre-réaction pouvant être implémenté dans l'invention est explicité dans la demande de brevet WO 1997/02471.

On note que la fréquence de coupure du traitement du bruit actif et le nombre de décibels de réduction recherchés conditionnent l'épaisseur D de la lame d'air qui existe entre deux poutres 41. Ainsi la largeur de bande passante traitée dans les basses fréquences par le traitement actif ainsi que le nombre de décibels de réduction obtenus dans cette bande sont inversement proportionnels à l'épaisseur de la lame d'air entre deux poutres. A titre indicatif ci-après est donné un tableau des résultats de réduction en dB en fonction de la distance entre deux poutres.

Les figures 8a et 8b montrent des exemples de barrières acoustiques réalisées selon un mode préférentiel de l'invention pour lequel la barrière acoustique est munie d'éléments de réduction acoustique sur sa partie supérieure pour le traitement de ladite fraction par l'arête supérieure de la barrière acoustique.

Sur la figure 8a, la barrière est munie d'un caisson acoustique supplémentaire 42. Cette poutre additionnelle 42 ne rencontre de problème quant au réglage de l'impédance acoustique puisque les haut-parleurs présents sur cette poutre émettent dans l'espace libre et possèdent donc une impédance acoustique infinie.

Sur la figure 8b, le traitement actif du bruit de diffraction est réalisé à l'aide d'une pluralité d'éléments de réduction acoustiques constitués de couples microphone 62/haut-parleur 61 placés en extrémité des poutres 41 placées verticalement entre deux traverses 80.

On note qu'un haut-parleur du type de celui décrit pour une installation dans un double vitrage dans le brevet WO 99/05888 pourra être utilisé en association avec un microphone pour réaliser un système selon l'invention. En particulier, une telle source secondaire allongée pourra être utilisée dans un dispositif de réduction acoustique destiné à être utilisé à la manière d'un store à lames devant une fenêtre.

En effet, l'invention permet de disposer un système actif de traitement du bruit sur les tranches de lames du type lames de stores ou sur le pourtour de cylindres suspendus parallèlement à la fenêtre. Après adjonction de matériau absorbant acoustique sur les faces opposées aux faces sur lesquels sont installés les systèmes actifs, il est ainsi possible de réaliser un agencement agréable et efficace pour le traitement du bruit dans les basses fréquences tout en permettant de ventiler et de rafraîchir efficacement une pièce.

L'utilisation d'un cylindre est avantageuse d'un point de vue de la réduction du bruit passive. En effet, l'effet de masse d'un cylindre comparé à une lame est considérablement plus important. En outre, la présence du cylindre permet d'ajuster le cas échéant l'impédance acoustique dans laquelle débitent les haut-parleurs voisins.

En utilisant une succession de modules actifs/passifs translucides équipés de haut-parleurs allongés aux dimensions de la fenêtre, on réalise une sorte de store comprenant des lames ou, préférentiellement, des cylindres distants d'environ 9 cm et intégrant avantageusement l'électronique de contrôle dans chaque lame ou cylindre. Pour une fenêtre standard (148xl23mm), il est alors possible d'insérer cinq éléments, chaque élément ayant une largeur ou un diamètre d'environ 16 cm.

Avantageusement, un tel système de traitement du bruit sera relié au secteur et sera pilotable par un interrupteur électrique tel que ceux utilisés pour la commande de l'éclairage d'une pièce.

Ainsi, un dispositif de réduction acoustique selon l'invention pourra être installé entre un rideau extérieur et une fenêtre. Il pourra être fixe ou amovible. Les éléments pouvant être déplacés sur les côtés de la fenêtre ou intégrés dans un galandage.

La figure 9 donne un exemple de réalisation possible d'un dispositif de réduction acoustique sur une fenêtre 90 avec des cylindres 91 munis chacun, sur un côté, d'une structure linéique selon l'invention avec des couples haut- parleur/microphone.

On note ici que l'invention autorise un résultat de réduction du bruit plus confortable à l'oreille qu'un simple contrôle totalement passif ou totalement actif sur la totalité de la surface de la barrière et ce, malgré un contrôle actif partiel réalisé seulement dans les jours de la barrière et un contrôle passif partiel réalisé seulement par les barreaux de la barrière. L'invention permet donc de réaliser des écrans acoustiques performants dans tout le spectre audible sans nécessiter la mise en œuvre de la loi de masse ou de matériaux de forte épaisseur. Elle présente aussi l'avantage de pouvoir être associée avec un traitement des entrées d'air par contrôle actif et, donc, de pouvoir être installée en rideau acoustique devant des machines nécessitant une ventilation importante : machines de climatisation ou autres.

A titre d'exemple, il a été possible d'obtenir une réduction globale de 7 décibels supplémentaires par le traitement hybride actif/passif réalisé selon l'invention par rapport à un écran passif de même épaisseur dans le cadre de la réduction du rayonnement sonore d'un groupe d'échange thermique du type pompe à chaleur.

Dans une telle application, il est crucial de permettre la circulation d'air nécessaire au fonctionnement des échanges thermiques et l'invention est donc particulièrement adaptée à ce type d'application. Comme de tels systèmes sont particulièrement bruyants, l'invention trouve là une application tout à fait intéressante.

Sur la partie supérieure de la barrière acoustique, des haut-parleurs allongés de haute résistance sont avantageusement utilisés pour réaliser le traitement de la diffraction.

Sur un mur antibruit autoroutier, les claustras actifs selon l'invention permettent de voir à travers le mur et de laisser passer la ventilation. Les distances D de séparation des poutres utilisées, leur nombre et leur disposition verticale ou horizontale peuvent être diverses en fonction du cahier des charges. Généralement, il sera recherché un compromis entre la quantité de matière passive à mettre en œuvre et le coût des systèmes actifs de telle sorte que soient privilégiées les ouvertures et la légèreté de la structure.

On remarque enfin que diverses mises en œuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention.