dimanche 20 décembre 2009

[tel-00201456, v1] CONCEPTION, RÉALISATION ET CARACTÉRISATION D UN HAUT-PARLEUR ULTRA-DIRECTIF BASÉ SUR L AUTO-DÉMODULATION

[tel-00201456, v1] CONCEPTION, RÉALISATION ET CARACTÉRISATION D UN HAUT-PARLEUR ULTRA-<b style="color:black;background-color:#99ff99">DIRECTIF</b> BASÉ SUR L AUTO-DÉMODULATION


Parmi les recherches actuellement menées sur l’évolution des systèmes militaires de défense,
l’étude et le développement des armes non létales (ANL) occupent une place stratégique importante.
Ces armes (non létales) doivent permettre de contrôler certaines situations de crise en évitant au
maximum les dommages collatéraux. Les modes d’action de ces armes peuvent prendre diverses formes :
neutralisation du pouvoir de nuisance de l’adversaire, désinformation, usage de leurres visuels ou
auditifs, etc. C’est dans le cadre de la mise au point d’ANL basées sur la désinformation et l’utilisation
de leurres auditifs que l’ISL (Institut franco-allemand de recherche de Saint Louis) s’intéresse aux
systèmes de restitution du son ultra-directif. En effet une source sonore de directivité étroite permet
de diffuser des informations contradictoires à différents groupes de personnes ou également de projeter
un « faisceau » sonore sur un objet qui diffuse alors le son en donnant l’impression que ce dernier
provient de cet objet.
Les systèmes sonores directifs sont classiquement employés pour l’imagerie acoustique en milieu
marin (océanographie), dans le corps (échographie) ou dans les solides (contrôle non destructif). Le
principe de l’imagerie acoustique consiste à émettre une onde acoustique très directive et à enregistrer
les réflexions dues à un changement brusque d’impédance acoustique. En mesurant les temps de retour
et en répétant l’opération dans différentes directions, il est possible d’effectuer une cartographie des
changements d’impédance (entre l’eau et les fonds marins ou entre différents tissus, par exemple).
Les systèmes directifs sont également utilisés pour la restitution de sons audibles dans l’air, sous la
forme de colonnes de haut-parleurs. Ils sont principalement employés à la sonorisation d’espaces clos
possédant une forte réverbération afin d’y éviter des réflexions indésirables.
Il est possible de réaliser des systèmes directifs en utilisant le phénomène d’auto-démodulation
d’amplitude mis en évidence grâce aux recherches menées en acoustique non linéaire. Cet effet
repose sur le principe suivant : deux ondes de fort niveau et de fréquences proches (ondes primaires)
interagissent au cours de leur propagation en raison de la non-linéarité du milieu, ce qui génère de
nouvelles composantes fréquentielles (ondes secondaires). En particulier, une onde de fréquence basse
(différence des deux fréquences d’émission) est générée. Tout se passe comme si l’onde de fréquence
différence était émise par une série de sources virtuelles étalées sur une distance de l’ordre de la
longueur d’atténuation des ondes primaires. Ce réseau de sources virtuelles est désignée par le terme
antenne paramétrique. Par extension cette dénomination désigne communément l’ensemble du système
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tel-00201456, version 1 - 29 Dec 2007
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Introduction
de diffusion.
L’antenne paramétrique possède la propriété de générer des ondes basses fréquences dont la
directivité est proche de celle obtenue avec les ondes primaires. Dans le cas d’ondes primaires de
fréquences élevées, il est ainsi possible d’émettre un signal basse fréquence de façon directive avec un
émetteur de petites dimensions. Ceci s’avère par exemple utile pour sonder sélectivement un milieu
(imagerie médical, océanographie, ...), ou pour réaliser des haut-parleurs directifs et explique le grand
nombre d’études réalisées sur ce sujet.
Westervelt ([2], 1957) est le premier à étudier les sons de combinaison qui sont produits par
interaction non linéaire, tout d’abord dans le cas de deux faisceaux croisés. Il montre que ces sons
de combinaison ne diffusent pas en dehors de la zone d’intersection des faisceaux (étude reprise
notamment dans les références [3, 4, 5]). Il s’intéresse ensuite à l’interaction de deux faisceaux
colinéaires [6] et calcule les caractéristiques du « son de différence » obtenu. En 1962, Bellin et
coll. [7] présente des résultats expérimentaux d’antenne paramétrique dans l’eau et dans l’air, mais
dans le cas de l’air ses résultats sont peu concluants en raison d’un faible rapport signal sur bruit.
Les études de l’antenne paramétrique en milieu sous-marins se sont donc rapidement développées
[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Les études et les applications dans l’air n’ont été développées que
plus récemment. Les premiers résultats probants d’antenne paramétrique dans l’air sont présentés par
Bennet et Blacksotck en 1975 [17] qui génèrent deux ondes de fort niveau (110 dB à 1 ft) à 18,6 kHz et
23,5 kHz et obtiennent des résultats proches de la théorie. En 1989, Yoneyama et coll. [18] s’intéresse
à l’antenne paramétrique vue comme un haut-parleur directif. Il observe le signal démodulé et les
distorsions émis par les interactions non linéaires d’une porteuse modulée en amplitude.
L’ISL a récemment entrepris des travaux pour évaluer l’intérêt d’utiliser l’antenne paramétrique
comme haut-parleur directif. Dans ce cadre, deux prototypes industriels de technologies différentes ont
été caractérisés expérimentalement de manière à connaître leurs directivités, réponses en fréquence et
portées. Le premier système utilise des transducteurs piézocéramiques, le second des transducteurs
piézoplastiques. Les directivités et portées mesurées sont similaires pour les deux prototypes. En
revanche , le système à technologie piézocéramique présente une réponse plus accidentée [19]. Suite
à ce travail, l’ISL a souhaité comprendre et maîtriser l’ensemble des phénomènes qui régissent le
comportement d’un système utilisant des transducteurs piézoplastiques, les résultats de cette étude
devant permettre de réaliser un haut-parleur directif à grande portée. Dans ce cadre les objectifs fixés
par l’ISL sont :
– transmettre un signal de parole à 50 m à un niveau de 50 dB SPL,
– obtenir une bande passante allant de 300 Hz à 3,4 kHz,
– obtenir un demi-angle d’ouverture à -6 dB de 10˚ maximum,
– minimiser les distorsions.
L’objectif du travail présenté dans ce mémoire est d’une part de proposer une modélisation des
phénomènes mis en jeu, et, d’autre part, de concevoir et réaliser un prototype sur la base de ces
modèle

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