PROTECTEUR AUDITIF À ATTÉNUATION ACOUSTIQUE ACTIVE UTILISANT UN FILTRE NUMÉRIQUE

HAL Id: jpa-00230487

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Submitted on 1 Jan 1990

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PROTECTEUR AUDITIF À ATTÉNUATION ACOUSTIQUE ACTIVE UTILISANT UN FILTRE

NUMÉRIQUE

K. Buck, R. Franke

To cite this version:

K. Buck, R. Franke. PROTECTEUR AUDITIF À ATTÉNUATION ACOUSTIQUE ACTIVE UTIL- ISANT UN FILTRE NUMÉRIQUE. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-781-C2-784.

�10.1051/jphyscol:19902182�. �jpa-00230487�

PROTECTEUR AUDITIF À ATTÉNUATION ACOUSTIQUE ACTIVE UTILISANT UN FILTRE NUMÉRIQUE

K. BUCK et R. FRANKE

Groupe Physiologie, Institut Franco-Allemand de Recherches de Saint-Louis, BP. 34, F-68301 Saint-Louis Cedex, France

Résumé - Les protecteurs auditifs classiques: serre-têtes ou bouchons d'oreille sont efficaces surtout aux féquences élevées. L'adjonction à ces protecteurs passifs d'un dispositif à atténuation active revêt un intérêt particulier car son action est complémentaire à celle de l'atténuation passive (meilleure efficacité aux basses fréquences). Nous avons développé un système miniaturisé qui pourrait être utilisé comme bouchon d'oreille. Le filtre de correction à été réalisé avec un processeur de signal numérique, ce qui permettra dans un futur proche de développer des sytèmes adaptables.

Abstract - Passive hearing protection devices (earplugs and earmuffs) are effective only at high frequencies. A combination of those passive protection devices with an active attenuation system is of high interest because of the complimentarity of the two systems (the active systems are mainly effective at low frequencies). We have developped a miniaturized active systeme that could be used as an earplug.

The correction filter has been implemented with a digital signal processor. Using this technology the development of adaptive systems might be possible in the near future.

1. Introduction

Il est en théorie possible de supprimer un bruit quelconque par la superposition d'un deuxième bruit exactement en opposition de phase. Diverses études ont montré que la technique d'atténuation active du bruit peut revêtir un intérêt considérable dans le domaine de la protection acoustique individuelle. Ceci est dû en grande partie à la complémentarité qui existe entre cette technique et celles, classiques, fondées sur l'isolation passive (les dispositifs passifs sont efficaces aux fréquences moyennes et élevées alors que l'atténuation active l'est aux basses fréquences). Différentes études ont pu démontrer la faisabilité des tels dispositifs, et les premiers ont été commercialisés aux Etats Unis. L'étude présentée montre le développement d'un dispositif miniaturisé pouvant être utilisé comme bouchon d'oreille. Une particularité de ce dispositif réside dans l'utilisation, dans la boucle de contre-réaction, d'un prototype de filtre numérique développé par la firme Métraflu (Ëcully). Les caractéristiques d'un tel filtre peuvent être modifiées quasi-instantanément par programmation et permettront dans l'avenir une autoadaptation du système.-

2. Description du dispositif 2.1. Rappel du principe

D P U l l ) Kt : fonction de transfert (FT): haut-parleur+cavité

• ^ 1 ^ L / AP,A,F : FT: préamplificateur phonie, amplificateur,

^ ^ ^ ^ ^ ^ r ^ v \ ( filtre de contre-réaction

^ ^ 1 ^ \{ \\ K m : F T : microphone

""^s. / . - • i r ^ \ \ \ \ V p : re n s'o n appliquée à l'entrée phonie

r» / V ^ - l i — T ] \ V P b : Pr e s s'o n acoustique dans la cavité à boucle ouverte I J- , L l O \ , \ pe : pression acoustique à l'entrée de l'oreille

\-m \Tsfc 4

Fig. 1 - Schéma du principe d'un prodecteur à atténuation actif

La figure 1 représente le schéma de principe de l'atténuation active appliquée à la cavité d'un protecteur auditif, ainsi que les notations utilisées. On montre que la pression acoustique au niveau de l'entrée du conduit auditif (pe) se compose essentiellement de deux termes:

1 V ^ t

P<=~ 1 + F A K . K P b +1 + F A K . KVP ' ()

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902182

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Le terme "bruit" s'écrit:

1 (pe)b = 1 + F A

K, y,

l'affaiblissement dû au système actif étant égal à:

si, le gain de la boucle G >>1; l'affaiblisseme~tdevient: R = F A Kt Km = G

Si, dans (2), l'amplitude et la phase du gain de la boucle G ne dépendaient pas de la fréquence, on pourrait obtenir une atténuation théoriquement aussi grande que l'on voudrait, en augmentant simplement le module de ce gain. En pratique cela est irréalisable en raison des limitations imposées par la "fonction de transfert

électroacoustique" (Kt Km) entre l'entrée du haut-parleur et la sortie du microphone. Le chemin acoustique (6) séparant ces deux éléments introduit, en particulier, un retard de phase A@ = 2 2a f 1 c (c: célérité du son dans l'air), non relié à une variation d'amplitude. Or le système devient instable lorsque le dénominateur de (2) s'annule, et un filtre capable de compenser un tel déphasage n'est pas réalisable. De plus, KtKm peut varier d'un porteur à un autre en raison de la conformation de son oreille externe et de l'étanchéité réalisée. En conséquence, on doit réaliser un compromis entre l'importance du module du gain de boucle et l'étendue du domaine de fréquence dans lequel le système actif pourra agir efficacement tout en se réservant une marge de stabilité suffisante. En ce qui concerne le terme "phonie", si dans un certain domaine de fréquence G >> 1 , on a:

P $ F A K t

AP

( P ~ ) P = ~ + F A K , K , " P

Ce terme ne dépend alors plus que de la réponse du microphone (Km), d'où la possibilité d'obtenir une courbe de réponse correcte de la voie "phonie", quelles que soient les caractéristiques des autres éléments faisant partie de la boucle (comme par exemple le haut-parleur).

2.3. Le "bouchon d'oreille"

Hauhporleur

Fig. 2 - Vue en coupe du protecteur auditif

Comme le montre la figure 2, le "bouchon d'oreille" est conçu de manière à ce que ses différentes parties soient démontables, pour faciliter leur modification ou leur remplacement. La partie en plastique (embout) destinée à être introduite dans le conduit auditif externe est percée d'un trou évasé dans lequel débouche le tube d'entrée du microphone. Un "pot" en dural, complété par un joint torique, une entretoise et un anneau fileté, permet le serrage bord à bord du haut-parleur contre la partie amère de l'embout. L'ensemble pèse environ 16 grammes. Il est à remarquer qu'une version de plus faibles dimensions et de moindre poids serait relativement facile à réaliser à partir de ce prototype, à condition cependant de disposer des moyens techniques adéquats (formage et usinage des matériaux plastiques en particulier).

2.4. Le filtre de contre-réaction

Nous avons vu que les systèmes d'atténuation acoustique active comportent dans la boucle de contre-réaction, un filtre qui détermine d'une part la stabilité et d'autre part le pouvoir d'atténuation du bruit. Contrairement aux systèmes antérieurs (filtres analogiques), dans le système décrit ici, le filtre a été réalisé avec des méthodes numériques.

2.4.1. Filtrane numérique

L'avantage de ces filtres numériques réside surtout dans la possibilité de modifier leurs caractéristiques par un simple changement de paramètres pendant leur fonctionnement. Ceci permettra à moyen terme de développer des filtres qui sont autoadaptables, chose impossible avec des filtres analogiques. Un inconvénient du filtrage numérique réside, comme le montre la figure 3, dans le délai introduit par le temps de calcul

(k)

tf délai dû au filtrage t, temps de calcul

Fig. 3 - Delai introduit par un filtre numérique

délais provoquent un déphasage qui s'ajoute au retard de phase dû au chemin acoustique. Dans notre cas concrèt, t,

+

2.4.2. Filtre à réponse imvulsionnelle ïnfinie (RI11

Le filtre utilisé dans le montage est composé d'un certain nombre de cellules du second ordre du type RE.

Chacune de ces cellules peut dans certaines limites être assimilée, en analogique, à l'association d'un couple de pôles complexes conjugués et d'un couple de zéros complexes conjugués.

2.4.3. Simulation d'une fonction de transfert

Afin de pouvoir adapter les paramètres du filtre numérique à une fonction de transfert électroacoustique donnée, nous avons développé un simulateur numérique pour ce type de filtre. Ce simulateur permet de déterminer, par une procédure graphique interactive, les paramètres des différentes cellules, de manière à élaborer la courbe de réponse souhaitée en prenant en compte notamment le délai introduit par le calcul numérique et le lissage (voir fig. 3). 11 permet également de tenir compte de la fonction de transfert électroacoustique afin de pouvoir optimiser la fonction de transfert de la boucle ouverte. Nous y avons associé un logiciel permettant la visualisation du diagramme de Nyquist et l'atténuation active pour permettre une meilleure estimation de la stabilité du système à boucle fermée.

3. Evaluation du svstème réalisé 3.1. Movens

Afin d'éviter les inconvénients inhérents à des tests audiomémques subjectifs (mis en oeuvre lourde, nombre important de sujets humains, durée prohibitive), nous avons choisi, à la suite de Parmentier et Burde 111, d'effectuer les mesures d'évaluation du protecteur auditif étudié à l'aide de mesures objectives sur une tête artificielle et une oreille artificielle. Nous avons utilisé une tête artificielle de type Kemar , équipée d'une oreille externe reproduisant les caractéristiques physiques moyennes de l'oreille externe humaine. Le conduit auditif se termine par un coupleur qui reproduit correctement l'impédance acoustique moyenne au niveau du tympan chez l'homme jusqu'à la fréquence de 10 kHz. Un microphone à condensateur 112 , dont la membrane occupe l'emplacement du tympan, permet la mesure de la pression acoustique à ce niveau. La tête artificielle ainsi équipée et portant le protecteur auditif peut être exposée à un bruit en champ diffus grâce à une installation de

démonstration réalisée précedemment. Le bruit est produit dans un volume de forme pyramidale et de volume 50 dm3 excité par un groupe de haut-parleurs montés dans une enceinte close placée sous sa base. Un

microphone à condensateur 114 " placé au voisinage de l'oreille équipée du protecteur auditif permet la mesure de la pression acoustique extérieure. Une chaîne de mesure analogique permet l'enregistrement des caractéristiques du protecteur auditif en régime sinusoïdal avec balayage en fréquence. Une chaîne d'analyse numérique basée sur un mini-ordinateur (processeur: LSI 111738) permet le stockage et l'analyse (transformée de Fourier par exemple) des données relatives à ce protecteur auditif.

3.2. Résultats

L'enregistrement de la fonction de transfert électroacoustique (KtKm) montre que l'allure de cette courbe ne permet pas d'espérer une atténuation active dépassant 3 dB, et ce dans un intervalle de fréquence de 2,9 à 4 kHz

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Fig. 4

-

seulement. L'adjonction d'un filtre numérique de 8 cellules mis au point grâce aux moyens de simulation nous permet d'obtenir la fonction de transfert de la boucle ouverte (fig. 4). On constate cette fois-ci qu'une atténuation théorique maximale de 23 dB peut être obtenue. La figure 5a montre que l'atténuation active mesurée au niveau du microphone de boucle est en bon accord avec les valeurs prévues par la simulation. L'allure de cette atténuation en fonction de la fréquence se modifie cependant dans une certaine mesure lorsque l'on effectue la mesure à l'emplacement même du tympan, à l'aide du microphone incorporé à l'oreille artificielle (fig. 5b). Au niveau de l'emplacement du tympan, on observe une atténuation active dans l'intervalle de 20 à 500 Hz environ, dont l'amplitude dépasse 16 dB entre 33 et 270 Hz. Le renforcement du bruit entre 5 et 20 Hz qui concerne essentiellement des fréquences infrarsonores est peu gênant, contrairement à celui qui intéresse les fréquences comprises entre 500 et 1900 Hz et qui dépasse 10 dB entre 720 et 890 Hz ainsi qu'entre 1450 et 1800 Hz.

krequence en Hz

Fig. 5

-

a) par le microphone de boucle (les point correspondent aux valeurs prévues par la simulation) b)par le microphone de l'oreille artificielle (à l'eniplacement du tympan)

4. Conclusion

Cette étude nous a permis de démontrer deux points importants:

- que la partie électroacoustique nécessaire à la mise en oeuvre de l'atténuation active pouvait être miniaturisée suffisamment pour être intégrée dans un bouchon d'oreille. On profite alors à la fois des avantages des bouchons d'oreille (forte atténuation passive aux fréquences moyennes et élevées) et des avantages des systèmes actifs (bonne atténuation aux basses fréquences tout en rendant possible une communication phonique de bonne qualité) - que le filtre de la boucle de contre-réaction du système actif pouvait être réalisé à l'aide d'une technique numérique. Le système actuel comporte des limitations inhérentes au processeur utilisé. Elles sont dues à une vitesse de calcul trop faible qui introduit une latence limitant l'extension du domaine d'atténuation active du côté des hautes fréquences. Avec des processeurs récents (vitesse de calcul augmentée d'un facteur 4), cette limitation tend à devenir négligeable. Les avantages propres au système deviendront alors prépondérants, et en particulier la possibilité d'adaptation au type de bruit et aux caractéristiques morphologiques du porteur, et ce, même pendant l'exposition de ce dernier au bruit.

REFERENCE: Il/ Parmentier, G. et Burde, E., ISL - R 108185