Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. WO2012069722 - SYSTEM FOR DETECTING AND LOCATING A DISTURBANCE IN A MEDIUM, AND CORRESPONDING METHOD AND COMPUTER PROGRAM

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ FR ]

Système de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu, procédé et programme d'ordinateur correspondants

La présente invention concerne un système de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu, un procédé et un programme d'ordinateur correspondants.

Il est connu de l'état de la technique différents systèmes de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu, comportant des moyens d'émission d'ondes acoustiques successives dans le milieu, des moyens de réception des ondes acoustiques successives après leur propagation dans le milieu, conçus pour fournir un signal de réception à partir des ondes acoustiques successives reçues, et des moyens de détection et de localisation de la perturbation dans le milieu à partir du signal de réception.

Le brevet US 6 741 237 B1 décrit un système utilisant la perturbation d'un temps de transit d'ondes acoustiques sismiques se propageant dans un objet entre un transducteur émetteur et au moins deux transducteurs récepteurs disposés autour de l'objet de façon à ce que la perturbation engendrée par le toucher engendre des fluctuations différentes des temps de transit depuis la zone de toucher vers les deux transducteurs récepteurs. Ce système est uniquement basé sur des différences de temps de transit et nécessite de disposer les transducteurs en des endroits précis autour de l'objet pour maximiser les différentiels de temps de transit selon au moins deux directions distinctes, par exemple dans les coins pour une plaque rectangulaire.

Le brevet FR 07 03651 décrit un système utilisant la reconnaissance de signature d'absorption relative d'une onde acoustique sismique, sur un ensemble de figures de résonance de l'objet interface. L'amortissement et le déphasage relatifs pour chaque fréquence induits par un toucher constituent une des composantes d'un vecteur amortissement relatif construit sur un nombre prédéfini de figures de résonance. Néanmoins, ce système présente l'inconvénient de disposer les capteurs en des endroits de l'objet permettant de briser les axes de symétrie de l'objet de façon à obtenir une bonne fiabilité de localisation. En outre, les figures de résonances peuvent aisément être perturbées par les conditions de montage de l'interface dans son support et a fortiori si la plaque peut coulisser dans une glissière c'est-à-dire si les conditions aux limites ne sont pas fixes.

Le brevet US 6 396 484 B1 décrit un système utilisant la mesure de temps de transit d'ondes acoustiques sismiques de surface, amorties par contact avec le doigt.

Ce système est caractérisé par un chemin précis que doit parcourir une onde acoustique dans un intervalle de temps connu et à une fréquence fixe typiquement de quelques mégahertz. La position du toucher est corrélée à une atténuation du signal à un instant précis dépendant du chemin parcouru par l'onde imposé par des réflecteurs partiels disposés selon des directions perpendiculaires sur les bords d'une plaque rectangulaire. Ce système présente l'inconvénient de nécessiter de graver physiquement l'objet de façon à engendrer un réseau de réflecteurs partiels de l'onde de surface parcourant l'objet. Les chemins parcourus par l'onde sont donc fixes et connus.

Il peut ainsi être souhaité de prévoir un système de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.

L'invention a donc pour objet un système de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu, comportant :

- des moyens d'émission d'ondes acoustiques successives dans le milieu,

- des moyens de réception des ondes acoustiques successives après leur propagation dans le milieu, conçus pour fournir un signal de réception à partir des ondes acoustiques successives reçues, et

- des moyens de détection et de localisation de la perturbation dans le milieu à partir du signal de réception,

les moyens d'émission étant conçus pour que, le spectre d'amplitude et/ou de phase de chaque onde acoustique présentant, à au moins une certaine fréquence, une amplitude, respectivement une phase, variant dans le milieu suivant une certaine répartition spatiale d'amplitude, respectivement de phase, ces répartitions spatiales d'amplitude, respectivement de phase, des ondes acoustiques successives soient différentes entre elles.

Grâce à la présente invention, la perturbation du milieu engendre une variation des ondes acoustiques successivement reçues par le dispositif de réception, et donc une variation du signal de réception. Or, cette variation dépend de la répartition spatiale d'amplitude ou de phase des ondes acoustiques. Comme les moyens d'émission émettent les ondes acoustiques présentant successivement des répartitions spatiales différentes, le système de l'invention permet d'obtenir, pour une même perturbation, plusieurs variations successives (une par répartition spatiale) dans le signal de réception. Chacune de ces variations constitue une caractéristique de la perturbation. En ayant suffisamment de caractéristiques, c'est-à-dire

suffisamment de répartitions spatiales différentes, il est possible de détecter et de localiser cette perturbation.

Ainsi, il n'est plus nécessaire de prévoir des guides d'ondes acoustiques, ni d'utiliser des calculs de temps de transit.

De façon optionnelle, les moyens d'émission comportent :

- un dispositif d'émission comprenant des première et seconde sources d'ondes acoustiques présentant respectivement des premier et second diagrammes de rayonnement, concentriques et différents l'un de l'autre,

- des moyens de modification de la pondération relative des amplitudes des ondes acoustiques des première et seconde sources, les pondérations successives correspondant respectivement aux répartitions spatiales successives.

De façon optionnelle également, chaque diagramme de rayonnement présente un axe dans la direction duquel il est nul, les axes faisant un angle non nul entre eux.

De façon optionnelle également :

- chaque source d'ondes acoustiques comporte deux éléments de transduction piézoélectrique,

- les moyens d'émission comportent des moyens de polarisation des deux éléments de transduction piézoélectrique à respectivement deux potentiels opposés l'un de l'autre.

De façon optionnelle également, le dispositif d'émission comporte un élément piézoélectrique couplé au milieu et quatre électrodes recouvrant un quart respectif d'une face de l'élément piézoélectrique, les deux éléments de transduction de la première source comportant respectivement deux électrodes opposées l'une à l'autre et les deux éléments de transduction de la seconde source comportant respectivement les deux autres électrodes opposées l'une à l'autre.

De façon optionnelle également :

- le milieu comporte une plaque présentant une surface de contact,

- les ondes acoustiques sont des ondes acoustiques sismiques se propageant dans la plaque,

- la perturbation est un contact sur la surface de contact.

De façon optionnelle également :

- le milieu comporte un fluide à la surface d'une plaque,

- les ondes acoustiques sont des ondes acoustiques de compression se propageant dans le fluide à la surface de la plaque,

- la perturbation est la présence d'une rupture d'impédance à la surface de la plaque, par exemple causée par la présence d'un obstacle.

De façon optionnelle également, l'élément piézoélectrique comporte un manchon conçu pour émettre les ondes acoustiques de compression.

L'invention a également pour objet un procédé de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu, comportant :

- fournir des signaux de commande à un dispositif d'émission d'ondes acoustiques, afin que ce dispositif d'émission émette des ondes acoustiques successives dans le milieu,

- recevoir un signal de réception de la part d'un dispositif de réception d'ondes acoustiques recevant les ondes acoustiques successives après leur propagation dans le milieu,

- détecter et localiser la perturbation dans le milieu à partir du signal de réception,

caractérisé en ce que :

- les signaux de commande sont conçus pour que, le spectre d'amplitude et/ou de phase de chaque onde acoustique présentant, à au moins une certaine fréquence, une amplitude, respectivement une phase, variant dans le milieu suivant une certaine répartition spatiale d'amplitude, respectivement de phase, ces répartitions spatiales d'amplitude, respectivement de phase, des ondes acoustiques successives soient différentes entre elles.

De façon optionnelle,

- les signaux de commande sont fournis par intermittence de façon à ce que la puissance d'exposition moyenne, même dans le domaine ultrasonore, reste inférieure à 85dB, avec une référence de 2.10-5 Pa, dans l'air à un centimètre du dispositif d'émission d'ondes acoustiques,

- les signaux de commandes présentent une certaine bande fréquentielle d'excitation,

et le procédé comporte en outre, avant de détecter et localiser la perturbation dans le milieu à partir du signal de réception :

- amplifier le signal de réception et le convertir au moyen d'un convertisseur analogique-numérique, l'amplification étant configurée de façon à ce que

l'amplitude du signal reçu en l'absence de perturbation atteigne la pleine échelle de quantification du convertisseur analogique-numérique,

- réaliser un filtrage passe-bande du signal de réception, sur une bande de fréquences correspondant à la bande fréquentielle d'excitation.

Enfin, l'invention a également pour objet un programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions pour l'exécution des étapes d'un procédé de détection et de localisation d'une perturbation d'un milieu selon l'invention, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en trois dimensions d'un premier système de surface tactile mettant en œuvre l'invention,

- la figure 2 est une vue en coupe du système de surface tactile de la figure 1 ,

- la figure 3 est une vue de face d'une plaque de verre du système de la figure 1 ,

- la figure 4 est un schéma représentant des dispositifs d'émission et de réception d'ondes acoustiques et un dispositif informatique du système de surface tactile de la figure 1 ,

- la figure 5 est une vue de dessus du dispositif d'émission de la figure 4, sur laquelle une première source d'ondes acoustiques est indiquée,

- la figure 6 est un diagramme de directivité de la première source d'ondes acoustiques de la figure 5,

- la figure 7 est une vue de dessus du dispositif d'émission de la figure 4, sur laquelle une seconde source d'ondes acoustiques est indiquée,

- la figure 8 est un diagramme de directivité de la seconde source d'ondes acoustiques de la figure 7,

- les figures 9 à 13 sont des diagrammes de directivité théoriques et expérimentaux du dispositif d'émission de la figure 4 suivant différentes contributions relatives des deux sources,

- la figure 14 est un graphe illustrant deux signaux de commande fournis par le dispositif informatique respectivement aux deux sources du dispositif d'émission de la figure 4,

- la figure 15 est une vue de face de la plaque de verre de la figure 3, sur laquelle des contacts de référence sont indiqués,

- la figure 16 est un schéma blocs d'un procédé d'apprentissage,

- la figure 17 est un schéma blocs d'un procédé de surveillance,

- la figure 18 est une vue en trois dimensions d'un second système de surface tactile mettant en œuvre l'invention,

- la figure 19 est une vue en coupe d'un système d'interface sans contact mettant en œuvre l'invention,

- la figure 20 une vue en coupe d'un disque résonateur du système de la figure 19,

- la figure 21 est une vue de dessus du disque résonateur de la figure 20,

- la figure 22 est une courbe montrant l'amplitude de vibration d'un manchon perpendiculairement à son axe de symétrie, lorsque le disque résonateur des figures 20 et 21 est sollicité,

- la figure 23 est une vue en coupe d'un système d'interface avec et sans contact mettant en œuvre l'invention,

- la figure 24 est un ensemble de trois courbes montrant le principe d'une détection de plusieurs perturbations simultanées,

- les figures 25 et 26 représentent des diagrammes de directivité du dispositif d'émission de la figure 4 suivant différents déphasages entre les deux sources, et

- la figure 27 représente une vue en coupe d'un perfectionnement du système d'interface de la figure 23.

En référence à la figure 1 , un système de surface tactile 100 selon un exemple de réalisation de l'invention comporte tout d'abord une plaque de verre 102 présentant deux faces opposées 104A, 104B.

La plaque de verre 102 peut avoir des dimensions allant jusqu'à 1 ,8 mètre de haut, 0,7 mètre de largeur et 8 millimètres d'épaisseur. Elle peut être en verre monolithique, trempé ou feuilleté, par exemple de type 442, c'est-à-dire quatre millimètres de verre, deux millimètres de couche intercalaire de PVB (PolyVinyle de Butyral) et à nouveau quatre millimètres de verre.

Le système de surface tactile 100 comporte en outre un socle 106 pour maintenir la plaque de verre 102 en position verticale. La plaque de verre 102 est insérée dans le socle 106 par un bord inférieur, tandis que ses trois autres bords peuvent rester nus.

En référence à la figure 2, le socle 106 définit une fente 202 dans laquelle une partie inférieure 204 de la plaque de verre 102 est introduite et maintenue par un dormant 206, des cales 208 et une parclose 210. Un joint à bourrer 212 assure l'étanchéité au niveau de l'ouverture de la fente 202.

En référence à la figure 3, le système de surface tactile 100 comporte en outre deux dispositifs d'émission 304, 306 d'ondes acoustiques sismiques dans la plaque 102 et un dispositif de réception 308 des ondes acoustiques sismiques, les trois dispositifs étant fixés, par exemple par collage, dans la partie intérieure 204 de la plaque de verre 102.

De préférence, les trois dispositifs 304, 306, 308 sont alignés le long du bord inférieur de la plaque de verre 102.

En outre, afin de lever toute ambiguïté de localisation de contact, le dispositif de réception 308 est de préférence situé entre les deux dispositifs d'émission 304, 306. Cependant, il est également possible de disposer les deux dispositifs d'émission 304, 306 du même côté du dispositif de réception 308.

En outre, les dispositifs d'émission 304, 306 sont de préférence disposés aux extrémités du bord inférieur de la plaque de verre 102.

Deux encoches 310, 312 sont ménagées dans ce bord inférieur, les encoches s'étendant entre le dispositif de réception 308 et respectivement chaque dispositif d'émission 304, 306, afin de limiter le couplage direct entre chaque dispositif d'émission 304, 306 et le dispositif de réception 308. De préférence, les encoches 310, 312 ne s'étendent pas au-delà des dispositifs d'émission 304, 306 et de réception 308.

Les dispositifs d'émission 304, 306 et de réception 308 sont fixés indifféremment d'un côté ou de l'autre de la plaque de verre 102.

De préférence, les ondes acoustiques émises et reçues sont des ondes de flexion présentant une longueur d'onde grande devant l'épaisseur de la plaque de verre 102. Ce sont des ondes de volume. L'énergie du champ acoustique de ces ondes est distribuée sur toute l'épaisseur de la plaque de verre 102.

Si la plaque de verre 102 est homogène et isotrope, le système 100 est conçu de préférence pour détecter des contacts sur les deux surfaces de contact 104A,

104B, indépendamment de la surface de contact 104A ou 104B où sont fixés les dispositifs d'émission 304, 306 et de réception 308.

En référence à la figure 4, le premier dispositif d'émission 304 comporte un disque piézoélectrique 402 (c'est-à-dire en matériau piézoélectrique) présentant une face inférieure recouverte d'une électrode inférieure 404 par laquelle le premier dispositif d'émission 304 est plaqué contre la plaque de verre 102. Le disque piézoélectrique 402 présente en outre une face supérieure recouverte de quatre électrodes supérieures 406A, 406B et 408A, 408B, recouvrant chacune un quart respectif de la face supérieure. Dans l'exemple décrit, le disque piézoélectrique 402 est polarisé uniformément sur toute sa surface.

Le second dispositif d'émission 306 est identique au premier dispositif d'émission et comporte de la même manière un disque piézoélectrique 410 muni de quatre électrodes supérieures 412A, 412B et 414A, 414B sur sa face supérieure et d'une électrode inférieure 416 sur sa face inférieure.

Le dispositif de réception 308 comporte un disque piézoélectrique 418 présentant une face inférieure recouverte d'une électrode inférieure 420 plaquée contre la plaque de verre 102. Il comporte en outre une face supérieure recouverte d'une électrode supérieure 422.

Le système de surface tactile 100 comporte en outre un dispositif informatique 424 connecté aux électrodes des dispositifs d'émission 304, 306 et de réception 308.

Plus précisément, les électrodes inférieures 404, 416, 420 des deux dispositifs d'émission 304, 306 et du dispositif de réception 308 sont connectées à une masse électrique du dispositif informatique 424. En outre, le dispositif informatique 424 est conçu pour fournir les signaux de commandes suivants au premier dispositif d'émission : e1(t) entre les deux électrodes opposées 406A, 406B, et e2(t) entre les deux autres électrodes opposées 408A, 408B. Dans l'exemple décrit, les deux électrodes opposées sont polarisées entre respectivement deux

potentiels opposés l'un de l'autre : et et les deux autres électrodes

opposées entre respectivement deux potentiels opposés l'un de l'autre : et

L'électrode supérieure 422 du dispositif de réception 308 est connectée au dispositif informatique 424 pour lui fournir un signal de réception r(t) , à partir des ondes acoustiques reçues par le dispositif de réception 308.

Le dispositif informatique 424 est également conçu pour fournir des signaux de commandes au second dispositif d'émission 306, de la même manière que pour le premier dispositif d'émission 304, de sorte qu'ils ne seront pas détaillés dans la suite.

Le dispositif informatique 424 est conçu pour détecter et localiser un contact sur l'une des surfaces de contact 104A, 104B à partir du signal de réception r(t) correspondant aux ondes acoustiques sismiques reçues, c'est-à-dire aux ondes acoustiques sismiques émises par les premier et second dispositifs d'émission 304, 306 et qui se sont propagées dans la plaque de verre 102.

A cet effet, le dispositif informatique 424 est conçu pour mettre en œuvre les actions qui seront détaillées en référence aux figures 16 et 17.

Par exemple, le dispositif informatique 424 comprend une unité de traitement (non représentée) pour l'exécution d'instructions d'un programme d'ordinateur (non représenté) pour mettre en œuvre ces actions.

En variante, le dispositif informatique 424 pourrait être remplacé par un dispositif électronique composé uniquement de circuits électroniques (sans programme d'ordinateur) pour la réalisation des mêmes actions.

Les notions de diagramme de rayonnement et de directivité seront utilisées par la suite.

Un diagramme de rayonnement d'une source d'ondes acoustiques correspond au module d'amplitude des ondes acoustiques en chaque point d'une sphère prédéterminée centrée sur la source, divisée par le module d'amplitude maximal le long de la sphère. Ainsi, les valeurs du diagramme de directivité sont comprises entre zéro et un.

Un diagramme de directivité correspond à l'intersection du diagramme de rayonnement avec un plan. Il caractéristique donc les variations de module d'amplitude sur un cercle du plan centré sur la source.

En référence à la figure 5, les deux électrodes opposées 406A, 406B sont alignées le long d'un axe A1 passant par le centre du disque piézoélectrique 402. Ces deux électrodes 406A, 406B forment une première source dipolaire d'ondes acoustiques (dipôle vibrant) rayonnant un champ acoustique minimal, par exemple nul, le long d'un axe A2 passant par le centre du disque piézoélectrique 402 et

différent de l'axe A1 , le champ acoustique étant antisymétrique par rapport à cet axe A2 (même valeur absolue, mais signes opposés, c'est-à-dire opposition de phase).

Ainsi, en référence à la figure 6, la première source dipolaire d'ondes acoustiques présente un premier diagramme de directivité sur la surface de contact 104A ou 104B, autour du centre du disque piézoélectrique 402, avec une valeur minimale, nulle dans l'exemple décrit, le long de l'axe A2 passant par le centre du disque piézoélectrique 402.

Dans l'exemple décrit, l'axe A2 est perpendiculaire à l'axe A1 . De préférence, les axes A1 et A2 sont orientés l'un perpendiculairement au bord inférieur de l'objet et l'autre parallèlement à ce même bord.

Dans l'exemple décrit, le diagramme de directivité de la source 406A, 406B présente une forme en « 8 », et une valeur nulle dans la direction de l'axe A2. Par exemple le premier diagramme de directivité, noté Vldir , est égal à

avec a I angle depuis I axe A1 .


En référence à la figure 7, de la même manière que les électrodes 406A, 406B, les deux électrodes opposées 408A, 408B sont alignées le long de l'axe A2 et forment une seconde source dipolaire d'ondes acoustiques (dipôle vibrant) rayonnant un champ acoustique nul le long de l'axe A1 et antisymétrique par rapport à l'axe A1 (même valeur absolue, mais signes opposées, c'est-à-dire en opposition de phase).

Ainsi, en référence à la figure 8, la seconde source dipolaire d'ondes acoustiques présente un second diagramme de directivité sur la surface de contact 104A ou 104B, autour du centre du disque piézoélectrique 402, présentant une valeur minimale, nulle dans l'exemple décrit, le long de l'axe A1 .

Dans l'exemple décrit, le diagramme de directivité de la source 408A, 408B présente une forme en «∞ », avec une valeur nulle dans la direction de l'axe A1 . Par exemple, le second diagramme de directivité, noté V2djr , est égal à

avec a I angle depuis I axe A1 .


Ainsi, chaque source d'ondes acoustiques est conçue pour émettre, c'est-à- dire rayonner, des ondes acoustiques dans la plaque de verre 102 selon son diagramme de directivité respectif, les deux diagrammes de directivité étant concentriques et différents l'un de l'autre.

Les signaux de commande engendrent par effet piézoélectrique inverse des ondes acoustiques dans la plaque de verre 102, en particulier des ondes de Lamb antisymétriques caractérisées par leurs deux composantes de déplacement, dans le plan de la plaque et hors plan (perpendiculairement au plan de la plaque). La perturbation engendrée par un toucher avec la plaque de verre 102 affecte essentiellement, par amortissement ou blocage de la surface de contact, la composante de déplacement hors plan (c'est-à-dire perpendiculaire à la plaque de verre 102).

En coordonnées polaires, la composante hors plan du champ acoustique, notée S1 , émise par la première source d'ondes acoustiques 406A, 406B et observée à une distance r du centre du disque piézoélectrique 402 et pour un angle a , est similaire au signal de commande e1(t) de la source d'ondes acoustiques 406A, 406B

avec en outre, d'une part, un délai de propagation ou À désigne la longueur

d'onde des ondes acoustiques, et, d'autre part une pondération correspondant au diagramme de directivité. Dans l'exemple décrit, le signal de commande e1(t) est de forme sinusoïdale el(t) = El0 sm(2nft), de sorte que la composante hors plan Sl est

également sinusoïdale et décrite par ses composantes en cordonnées

cartésiennes par rapports aux axes A1 et A2 :

où Al0 désigne


l'amplitude crête de la composante hors plan Sl , proportionnelle à l'amplitude crête du signal de commande El0 .

De la même manière, dans l'exemple décrit, le signal de commande e2(t) est de forme sinusoïdale de sorte que la composante hors plan du

champ acoustique, notée S2 , due à la seconde source d'ondes acoustiques 408A,

408B, est également sinusoïdale et décrite par ses composantes en
cordonnées cartésiennes par rapports aux axes A1 et A2 :

désigne


l'amplitude crête de la composante hors plan S2 , proportionnelle à l'amplitude crête du signal de commande E20 .

Les composantes de déplacement hors plan Sl et S2 (c'est-à-dire perpendiculaires à la plaque de verre 102) des champs acoustiques correspondent toutes les deux à des modes de flexion et sont donc sensibles à un contact, par exemple à celui d'un doigt sur la plaque de verre 102.

Le dispositif informatique 424 est conçu pour pondérer les deux signaux de commande e1(t) et e2(t) et pour faire varier cette pondération dans le temps. Dans l'exemple décrit, la pondération est réalisée de la manière suivante : k. e1(t) et

(l - k).e2 (t) avec k variant entre zéro et un. Cette variation de pondération entraîne une variation correspondante des amplitudes des champs acoustiques Sl et S2 :

Al = k.A0 et A2 = (l - k).A0 , de sorte que :


Les deux sources 406A, 406B et 408A, 408B sont excitées indépendamment l'une de l'autre, chacune d'entre elles engendrant un champ caractéristique de la géométrie et de l'orientation des électrodes.

L'excitation par effet piézoélectrique inverse d'ondes élastiques est un processus linéaire et invariant, de sorte que la composante hors plan du champ acoustique total généré par le premier dispositif d'émission 304 est égale à la somme des composantes hors plan des deux sources :

soit :

Le premier dispositif d'émission 304 génère ainsi des ondes acoustiques dont la répartition spatiale d'amplitude à toute fréquence f varie en fonction de k .

Pour illustrer cette variation, dans le cas où les deux sources d'ondes acoustiques sont commandées en phase avec un déphasage φ nul et de façon synchrone, c'est-à-dire à la même fréquence, la composante hors plan totale S peut s'exprimer selon un module et une phase, soit, en notation complexe :

Ainsi, la composante hors plan du champ acoustique émis, à la fréquence f , par le premier dispositif d'émission 304 s'écrit de manière générale :
où M est un point sur la surface tactile 104A ayant comme coordonnées r,a . Cette composante hors plan présente une répartition d'amplitude A(M, k) à la fréquence f , qui varie en fonction de k . Cela signifie que pour deux valeurs différentes de k , les répartitions d'amplitude associées sont différentes et non proportionnelles l'une à l'autre.

Dans le cas du premier dispositif d'émission, ces répartitions d'amplitude sont toutes angulaires puisque A(M, k) ne dépend en fait que de l'angle a .

Pour illustrer cette variation de la répartition d'amplitude, différentes formes du diagramme de directivité, selon les équations précédentes et le cas échéant obtenues expérimentalement, du premier dispositif d'émission 304 suivant différentes valeurs de k sont illustrées sur les figures 9 à 13. Pour les résultats expérimentaux, il a été utilisé un disque piézoélectrique PZ26 de 30 mm de diamètre et de 0.5 mm d'épaisseur collé sur une plaque borosilicate de dimensions : 360 mm x 220 mm x 3.3 mm. Le vecteur vitesse a été mesuré sur un cercle de 80 mm de rayon centré sur le disque piézoélectrique. La fréquence du signal était de f = 40 400 Hz.

Dans l'exemple décrit, le système de surface tactile 100 comporte en outre le second dispositif d'émission 306. De même que pour le premier dispositif d'émission 304, la composante hors plan du champ acoustique S'(t,M, k) à la fréquence f émis par le second dispositif d'émission 306 s'écrit de manière générale :


Ainsi, la composante hors plan du champ total, à la fréquence f , a la même forme : Selon l'invention, le champ

acoustique total présente donc une répartition d'amplitude
à la fréquence f , qui varie en fonction de k . Cela signifie que pour deux valeurs différentes de k , les répartitions d'amplitude associées sont différentes et non proportionnelles l'une à l'autre.

Si les ondes acoustiques émises ne sont pas monochromatiques (c'est-à-dire à une seule fréquence) la théorie de Fourier ramène au cas monochromatique, en décomposant tout signal en une somme de signaux monochromatiques.

En référence à la figure 14, dans l'exemple décrit, le dispositif informatique 424 est conçu pour faire croître k de zéro à un sur quarante paliers et pour faire décroître la fréquence f d'un palier au suivant, depuis 100 kHz jusqu'à 20 kHz. Il est intéressant de faire décroître les fréquences plutôt que l'inverse, car les ondes acoustiques de fréquence élevée se propagent plus vite que les ondes acoustiques de fréquence moindre. Ainsi, en faisant décroître les fréquences, on évite que les premières ondes acoustiques émises ne soient rattrapées par les suivantes.

Ainsi, le premier signal de commande vaut, pour le palier i (i allant de un à quarante) : tandis que le second signal de commande vaut,

pour ce même palier avec k1 = 0 , k40 = 1 et f1 = 100

kHz, f40 = 20 kHz.

De préférence, chaque pallier dure pendant un nombre entier de périodes d'oscillation des signaux de commande e1(t) et e2(t) .

Ainsi, à chaque pallier, le premier dispositif d'émission 304 émet une onde acoustique à la fréquence fi et avec une répartition d'amplitude :

Ainsi, le spectre d'amplitude de chaque onde acoustique i est non nul pour la seule fréquence fr Le spectre d'amplitude de chaque onde acoustique présente donc, à cette fréquence ft , différente dans l'exemple décrit d'une onde acoustique émise à l'autre, une amplitude, variant dans le milieu suivant une certaine répartition spatiale d'amplitude A(M ,kt) . Grâce à la variation de ki d'une onde acoustique émise à l'autre, les répartitions spatiales d'amplitude A(M, ki) des ondes acoustiques successives sont différentes entre elles.

Des procédés d'apprentissage et de surveillance vont à présents être décrits, qui utilisent ces variations de répartitions spatiales.

En référence à la figure 15, ces procédés utilisent des contacts de référence C(i, j) dont les positions sur la surface de contact 104B de la plaque de verre 102 sont connues du dispositif informatique 424. Ces contacts de référence C(i, j) sont par exemple répartis sur une grille selon les axes A1 et A2, où les indices indiquent leur position dans la grille.

Ces procédés utilisent en outre une fonction de voisinage V(c(i, j)) permettant de déterminer les contacts de référence voisins d'un contact de référence C(i, j) donné. Par exemple, dans le cas où les contacts de référence sont répartis sur une grille rectangulaire, les contacts de référence voisins sont les huit contacts entourant le contact de référence considéré sur la grille (« première couronne »), comme cela est illustré sur la figure 15.

Par ailleurs, dans ces procédés, seul le premier dispositif d'émission 304 sera considéré, étant donné que l'introduction de l'autre dispositif d'émission 306 ne change pas, comme expliqué plus haut, l'expression générale du champ acoustique total dans la plaque.

En référence à la figure 16, le procédé d'apprentissage 1600 comporte tout d'abord une étape 1602 au cours de laquelle le système de surface tactile 100 est placé dans un environnement silencieux tandis que la plaque de verre 102 est laissée sans contact.

Dans ces conditions, au cours d'une étape 1604, le dispositif informatique 424 fournit les signaux de commande e1(t) et e2(t) tels que représentés sur la figure 14, au premier dispositif d'émission 304, et ce dernier émet des ondes acoustiques dans la plaque de verre 102.

En même temps, au cours d'une étape 1606, le dispositif de réception 308 reçoit les ondes acoustiques après leur propagation dans la plaque de verre 102, et fournit au dispositif informatique 424 un signal de réception à vide, noté r(t) , correspondant aux ondes acoustiques reçues. Le signal de réception à vide r(t) dure pendant l'ensemble des répartitions spatiales successives.

Au cours d'une étape 1608, le dispositif informatique 424 calcule l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de réception à vide r(t) , appelée amplitude spectrale à vide


Au cours d'une étape 1610, un contact de référence C(i, j) est appliqué sur la surface de contact 104A de la plaque de verre 102, toujours dans un environnement silencieux.

Au cours d'une étape 1612, avec le contact de référence C(i, j) appliqué, le dispositif informatique 424 fournit les signaux de commande e1(t) et e2(t) au premier dispositif d'émission 304.

Au cours d'une étape 1614, le premier dispositif d'émission 304 émet des ondes acoustiques correspondant aux signaux de commande e1(t) et e2(t) dans la plaque de verre 102, tandis que le dispositif de réception 308, au cours d'une étape 1616, reçoit les ondes acoustiques après leur propagation dans la plaque de verre 102, et fournit au dispositif informatique 424 le signal de réception correspondant, appelé signal de réception de référence rij (t) .

Au cours d'une étape 1618, le dispositif informatique calcule l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de réception de référence rij (t) , appelée amplitude

spectrale de référence


Au cours d'une étape 1620, le dispositif informatique 424 calcule une distance, appelée distance d'amplitude spectrale de référence DNR(i, j) , entre l'amplitude à vide et l'amplitude de référence. Par exemple, la distance d'amplitude spectrale de référence DNR(i, j) est une distance normalisée relative, par exemple égale à la norme 1 du pourcentage de variation des amplitudes spectrales à vide et de référence



Le procédé 1600 retourne alors à l'étape 1610, pour un autre contact de référence C(i, j) , jusqu'à ce que tous les contacts de référence soient balayés.

Il pourra être observé que le procédé d'apprentissage 1600 n'a besoin d'être réalisé que sur une des deux surfaces de contact 104A, 104B, puisque deux contacts en vis-à-vis de part et d'autre de la plaque de verre 102 ont le même effet sur les ondes acoustiques se propageant dans la plaque de verre 102.

En outre, la transformée de Fourier du signal de réception est réalisée de préférence sur environ 16000 points (ou au moins 4096 points voire 1024 points).

En référence à la figure 17, un procédé de surveillance 1700 utilisant le système de surface tactile 100 comporte tout d'abord des étapes 1702 à 1712 d'initialisation.

Au cours d'une étape 1702, le système de surface tactile 100 est placé, sans qu'un contact ne lui soit appliqué, dans son environnement d'utilisation, ce dernier pouvant comporter un bruit résiduel faisant vibrer la plaque de verre 102 et produisant ainsi un signal parasite dans le signal de réception fourni par le dispositif de réception 306. Le bruit résiduel peut également provenir de l'électronique de traitement, notamment du bruit de quantification.

Au cours d'une étape 1704, le dispositif informatique 424 fournit les signaux de commande e1(t) et e2(t) au premier dispositif d'émission 304, et le dispositif d'émission 304 émet les ondes acoustiques correspondantes dans la plaque de verre 102.

En même temps, au cours d'une étape 1706, le dispositif de réception 308 reçoit les ondes acoustiques après leur propagation dans la plaque de verre 102, et fournit au dispositif informatique 424 un signal de réception, appelé signal de réception avec bruit résiduel rBR (t) , correspondant aux ondes acoustiques reçues.

Au cours d'une étape 1708, le dispositif informatique 424 calcule l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de réception avec bruit résiduel rBR (t) , appelée amplitude spectrale avec bruit résiduel


Au cours d'une étape 1710, le dispositif informatique 424 calcule un bruit résiduel de départ BRD à partir de l'amplitude spectrale avec bruit résiduel RBR (f ) et de l'amplitude spectrale à vide R(f ) . Par exemple le bruit résiduel de départ BRD est la norme 1 du pourcentage de variation des amplitudes spectrales avec bruit

résiduel RBR (f ) et à vide


Au cours d'une étape 1712, le dispositif informatique 424 initialise, à la valeur du bruit résiduel de départ, une données BR représentant le bruit résiduel en cours, soit l'opération : BR <— BRD . En outre, le dispositif informatique 424 initialise un compteur d'itération n à la valeur 1 , soit l'opération : n <- 1.

Le procédé de surveillance 1700 comporte alors la boucle d'étapes 1714 à 1750 de surveillance, l'itération en cours de la boucle d'étapes étant l'itération n .

Au cours d'une étape 1714, le dispositif informatique 424 fournit les signaux de commande e1(t) et e2(t) au premier dispositif d'émission 304, et le dispositif d'émission 304 émet les ondes acoustiques correspondantes dans la plaque de verre 102.

En même temps, au cours d'une étape 1716, le dispositif de réception 308 reçoit les ondes acoustiques successives après leur propagation dans la plaque de verre 102, et fournit au dispositif informatique 424 un signal de réception, appelé signal de réception en cours rn (t) , correspondant aux ondes acoustiques reçues.

Au cours d'une étape 1718, le dispositif informatique 424 calcule l'amplitude de la transformée de Fourier du signal de réception en cours rn (t) , appelée amplitude spectrale en cours


Au cours d'une étape 1720, le dispositif informatique 424 calcule une distance d'amplitude spectrale en cours DNRn à partir des amplitudes spectrales avec bruit résiduel RBR (f ) et en cours Rn (f ) . Par exemple, la distance d'amplitude spectrale en cours DNRn est une distance normalisée relative, par exemple la norme 1 du pourcentage de variation des amplitudes spectrales avec bruit résiduel RBR (f ) et en

cours


Au cours d'une étape 1722, le dispositif informatique 424 calcule une perturbation courante PCn à partir de la distance d'amplitude spectrale en cours

DNRn et du bruit résiduel BR . Par exemple, la perturbation courante PCn est le pourcentage de variation entre la distance d'amplitude spectrale en cours DNRn et le

bruit résiduel


Au cours d'une étape 1724, le dispositif informatique 424 détermine si la perturbation courante PCn a légèrement dérivé par rapport à l'itération précédente, ce qui indique une variation du bruit résiduel, mais pas un contact car ce dernier entraînerait une grande variation de la perturbation courante PCn . Cette petite dérive

est par exemple déterminée si :


Si une petite dérive de perturbation courante PCn est déterminée, les étapes

1726 à 1730 sont mises en œuvre.

Au cours de l'étape 1726, le dispositif informatique 424 met à jour l'amplitude spectrale avec bruit résiduel RBR (f ) à la valeur de l'amplitude spectrale en cours Rn (f ) , soit l'opération : RBR (f )← Rn (f ) .

Au cours de l'étape 1728, le dispositif informatique 424 calcule le nouveau bruit résiduel BR à partir de l'amplitude spectrale avec bruit résiduel RBR (f ) mise à

jour, soit :


Au cours de l'étape 1730, le dispositif informatique 424 incrémente n d'une unité et le procédé retourne aux étapes 1714 et 1716.

Si aucune petite dérive de perturbation courante PCn n'est déterminée, au cours d'une étape 1732, le dispositif informatique 424 détermine si la perturbation courante PCn est élevée, par exemple supérieure à un seuil prédéterminé, ce qui indiquerait la survenue d'un contact. Par exemple, un contact C est détecté si :

PCn≥ 100% .

Si un contact C est détecté, au cours d'une étape 1734, le dispositif informatique 424 calcule les écarts entre la distance d'amplitude spectrale de référence DNR(i, j) et la distance d'amplitude spectrale en cours DNRn . Dans l'exemple décrit, ces écarts sont des écarts normalisés relatifs, par exemple exprimés en pourcentages du bruit résiduel. Toujours dans l'exemple décrit, ces écarts sont placés dans une matrice ENRDn (i, j) où chaque élément de la matrice correspond à l'écart par rapport au contact de référence C(i, j) :


Au cours d'une étape 1736, le dispositif informatique 424 détermine le contact de référence C(i, j) le plus proche du contact détecté C . Il s'agit du contact de référence associé à l'élément de la matrice ENRDn (i, j) le plus petit (c'est-à-dire l'élément indiquant l'écart le plus faible par rapport à la distance d'amplitude spectrale en cours DNRn ). Cet élément le plus petit est noté

ESn = ENRD(in , jn ) , avec (in , jn ) sa position dans la matrice ENRDn (i, j) et également dans la grille des contacts de référence.

Dans une variante simple de l'invention, le dispositif informatique 424 fournit comme position du contact détecté C la position du contact de référence C(in , jn ) le plus proche, et le procédé 1700 passe alors à l'étape 1750.

Cependant, dans l'exemple décrit, la position du contact détecté C est affinée.

Ainsi, au cours d'une étape 1738, le dispositif informatique 424 détermine si le contact détecté C est proche ou non du contact de référence C(in , jn ) le plus proche, au moyen d'une condition de proximité.

A cet effet, dans l'exemple décrit, cette détermination est réalisée en calculant un rapport de contraste RCn entre l'élément le plus petit ESn et les autres éléments de la matrice ENRDn (i, j) . Par exemple le rapport de contraste RCn est calculé par :

Puis, le dispositif informatique 424 détermine si le contact détecté C est proche ou non du contact de référence C(in , jn ) le plus proche à partir du rapport de contraste RCn . Dans l'exemple décrit, le contact détecté C est proche du contact de référence C(in , jn ) le plus proche si le rapport de contraste est supérieur à une valeur prédéterminée, par exemple si : RCn≥ 150 .

Au cours d'une étape 1740, si le contact détecté est déterminé comme proche du contact de référence C(in , jn ) le plus proche, alors le dispositif informatique 424 fournit comme position du contact détecté C la position du contact de référence C(in , jn ) le plus proche. Le procédé 1700 passe alors à l'étape 1750.

Au cours d'une étape 1742, si le contact détecté n'est pas déterminé comme proche, au sens de la condition de proximité, du contact de référence C(in , jn ) le plus proche, alors le dispositif informatique 424 détermine la position du contact C à partir des positions du contact de référence C(in , jn ) le plus proche et de ses contacts de référence voisins, selon la fonction de voisinage V(c(in , jn )) prédéterminée.

Plus précisément, au cours d'une étape 1744, le dispositif informatique 424 calcule une masse équivalente Mn (i, j) pour chaque élément de la matrice

ENRDn (i, j) , la masse équivalente Mn(i, j) étant d'autant plus élevée que cet élément, qui correspond à un écart par rapport à la distance d'amplitude spectrale en cours DNRn , est faible (fonction inverse ou équivalente). Dans l'exemple décrit, la

masse équivalente Mn (i, j) est calculée par :


Au cours d'une étape 1746, le dispositif informatique 424 calcule le barycentre des contacts de référence C(i, j) , pondérés par leur masse équivalente correspondante, situés dans le voisinage V(c(in , jn )) autour du contact de référence le plus proche C(in , jn ).

Au cours d'une étape 1748, le dispositif informatique 424 fournit comme position du contact détecté C le barycentre ainsi calculé.

Qu'un contact soit détecté ou non à l'étape 1732, au cours de l'étape 1750, le dispositif informatique 424 incrémente n d'une unité et le procédé retourne aux étapes 1714 et 1716.

Il sera noté que, lors de la surveillance, les signaux de commandes sont générés avec une période de 100 Hz et que les transformées de Fourier sont réalisées en continu sur une fenêtre d'acquisition d'environ 16000 points à une fréquence d'échantillonnage de 1 .6 Méch/s (soit 100 Hz) avec quantification du signal sur 12 bits.

Il sera en outre noté que, lorsque le système de surface tactile 100 est conçu pour détecter et localiser le toucher d'un doigt, le pas de la grille des contacts de référence est de préférence inférieur ou égal à la dimension caractéristique du doigt. Pour donner un ordre de grandeur, la surface de contact d'un index est d'environ 1 ,3 cm2 et la dimension caractéristique du toucher est d'environ 12 mm. Ainsi, le pas de la grille est de préférence inférieur à 1 cm, par exemple égal à 6 mm. En outre, les contacts de référence de l'apprentissage présentent une dimension caractéristique similaire à celle d'un doigt. Ainsi, grâce au pas de grille précédent, ces contacts de référence se chevauchent les uns les autres. Cela permet d'avoir un nombre de contacts de référence réduit tout en offrant une résolution élevée, inférieure au millimètre, grâce au calcul du barycentre. Cela permet en outre de réduire les erreurs de reconnaissance de position lorsque le toucher glisse lentement et continûment d'un contact de référence à un autre. Le fait qu'il y ait recouvrement partiel des contacts de référence garantit ainsi qu'un toucher soit plus finement localisé. La fiabilité est également augmentée dans la mesure où un toucher n'est pas détecté par rapport à un seul contact de référence, mais par rapport à plusieurs contacts de référence situés dans un même voisinage. Le recouvrement de deux contacts de référence adjacents doit ainsi être suffisant pour que les perturbations soient assez similaires et que le calcul du barycentre ait un sens. Dit autrement, le pas de grille doit être suffisamment fin par rapport à la dimension caractéristique du doigt de façon à ce que le placement aléatoire du doigt sur la zone tactile recouvre toujours suffisamment un contact de référence. On garantit ainsi que le seuil de niveau de contraste est toujours atteint lors d'un toucher, en particulier lorsque le toucher se produit au milieu de deux contacts de référence. Le pas de grille doit cependant rester aussi grand que possible pour ne pas augmenter inutilement le nombre de contacts de référence, et donc la durée de l'apprentissage.

Par ailleurs, si le pas de grille est beaucoup plus petit que le rayon caractéristique du toucher, la zone de voisinage peut être étendue à une deuxième ou une troisième couronne de contacts de référence. Le nombre de couronnes est par exemple égal au rayon caractéristique divisé par le pas de grille. Pour un pas de grille de 3 mm, deux couronnes de contacts de référence seront par exemple prises.

Dans un perfectionnement, la position affinée grâce au calcul du barycentre peut être ensuite recalée sur une grille de plus haute résolution. La position et le déplacement du doigt sont ainsi mesurés assez finement sur cette grille de plus haute résolution. Par exemple, la grille des contacts de référence peut présenter un pas de 6 mm, tandis que la grille haute résolution peut être celle d'un écran d'affichage graphique ayant typiquement un pas de 0.3 mm. Ainsi, dans le cas d'un écran HD comprenant 1920 x 1080 pixels au pas de 0.3 mm, soit 576 x 324 mm (66 cm ou 26 pouces de diagonale), la grille des contacts de référence est réduite, par rapport à la grille haute résolution, à 97 x 55 soit 5335 points, soit une réduction de presque un facteur 400 tout en conservant un ajustement fin du toucher sur la grille haute résolution.

Par ailleurs, le procédé permettant d'affiner la localisation du contact détectée peut encore être amélioré. En effet, le procédé de la figure 17 présente comme inconvénient que le barycentre tel que calculé a tendance à se trouver près du contact de référence le plus proche, même lorsque le contact détecté se trouve très « excentré » du contact de référence le plus proche, c'est-à-dire presque à mi-chemin avec un contact de référence adjacent.

Pour pallier ce problème, le procédé 17 peut être amélioré pour surpondérer les contacts de référence adjacents au contact de référence le plus proche. Ceci permet d'excentrer la localisation du contact détecté par rapport au contact de référence le plus proche, et ainsi de correctement localiser les contacts se produisant à mi-chemin de deux contacts de référence. Pour amplifier l'effet, il est également possible de définir les masses équivalentes à partir du carré, du cube ou d'une puissance supérieure des écarts ENRDn (i, j) .

Une autre façon permettant d'améliorer la localisation jusqu'à la mi-distance de deux contacts de référence adjacents consiste à déterminer la position du contact (détecté) à partir d'une fonction non linéaire de type sigmoïde ou tangente hyperbolique du barycentre par rapport à la position du contact de référence le plus proche. Une telle fonction permet d'amplifier les faibles distances du barycentre par rapport au contact de référence le plus proche, tout en limitant la position du contact à la mi-distance. On ourra prendre ainsi :

où XHD , YHD sont les coordonnées du


contact détecté, Xzi , Yzi les coordonnées du contact de référence le plus proche, Xg , Yg les coordonnées du barycentre et a le facteur amplification du déplacement pouvant valoir typiquement entre 5 et 10.

En référence à la figure 18, un second système de surface tactile 1800 selon l'invention comporte une plaque de verre rectangulaire 1802 présentant une périphérie 1804.

Le système de surface tactile 1800 comporte en outre un dispositif d'émission d'ondes acoustique 1806 disposé dans un coin 1804 de la périphérie où se rejoignent deux bords 1808, 1810 de la plaque 1802.

Le dispositif d'émission 1806 comporte deux sources d'ondes acoustiques 1812, 1814. Les sources 1812, 1814 sont allongées et s'étendent respectivement le long des bords 1808, 1810.

Dans l'exemple décrit, le dispositif d'émission 1806 comporte une équerre piézoélectrique 1816 munie de deux bras 1818, 1820, par exemple rectangulaires, perpendiculaires l'un à l'autre et s'étendant respectivement selon les deux bords 1808, 1810. L'équerre 1816 présente une face inférieure recouverte d'une électrode inférieure 1817 et une face supérieure recouverte de trois électrodes supérieures : deux électrodes 1822, 1824 s'étendant respectivement sur les deux bras et une électrode 1826 s'étendant au centre de l'équerre, à la jointure des deux bras. Cette dernière électrode est connectée à l'électrode inférieure pour former un retour de masse. Les sources d'ondes acoustiques comportent respectivement les bras 1818, 1820 munis de leurs électrodes.

Le système de surface tactile 1800 comporte en outre un dispositif de réception d'ondes acoustiques 1828. Le dispositif de réception 1828 peut être disposé n'importe où sur la plaque 1802, mais de préférence loin du dispositif d'émission 1806. Dans l'exemple décrit, le dispositif de réception 1828 est situé dans un autre coin 1830 de la plaque 1802. Cela permet de réduire les ondes acoustiques reçues directement par le dispositif de réception 1828 pour privilégier celles diffractées par un contact sur la plaque 1802.

Le dispositif de réception 1828 comporte un bras piézoélectrique 1832, par exemple rectangulaire, présentent une face inférieure recouverte d'une électrode inférieure 1834 et d'une face supérieure recouverte d'une électrode supérieure 1836.

Le système de surface tactile 1800 comporte en outre un dispositif informatique 424 similaire à celui de l'exemple des figures 1 à 17.

Les électrodes inférieures sont ainsi toutes reliées à la masse électrique, et par conséquent également l'électrode centrale 1826. Les signaux de commande e1(t) et e2(t) sont appliqués entre respectivement l'électrode de masse centrale 1826 et les électrodes 1822, 1824 des bras du dispositif d'émission 1806. Les

signaux de commande présentent ainsi une seule « phase », c'est-à-dire un seul potentiel différent de la masse. Par ailleurs, le signal de réception r(t) est recueilli entre l'électrode inférieure 1834 et l'électrode supérieure 1836 du dispositif de réception 1828.

En variante, les électrodes supérieures 1822, 1824 sont scindées chacune en deux sous-électrodes distinctes de surfaces égales, auxquelles est appliqué le signal de commande e1(t) respectivement e2(t) . Chaque signal de commande présente alors deux « phases », c'est-à-dire deux potentiels différents de la masse appliqués respectivement aux deux sous-électrodes.

Cette forme de système de surface tactile est bien adaptée aux petits afficheurs graphiques, par exemple de sept à dix pouces de diagonale.

Par ailleurs, de préférence, le dispositif d'émission 1806 est commandé de manière à émettre des ondes acoustiques de fréquence comprise entre un et cent kilohertz.

De préférence, les bras 1818, 1820 de l'équerre piézoélectrique 1816 ont une longueur de plusieurs fois la longueur d'onde associée à la fréquence centrale du spectre d'excitation des ondes acoustiques émises, par exemple de deux à cinq fois.

En référence à la figure 19, un système d'interface sans contact 1900 selon un mode de réalisation possible de l'invention comporte une plaque 1902 plane ou légèrement courbe, par exemple en verre, entourée d'air 1903.

Le système d'interface 1900 comporte en outre un dispositif d'émission 1904 d'ondes acoustiques 1906 dans l'air le long de la plaque 1902.

Plus précisément, le dispositif d'émission 1904 comporte un disque résonateur 1908, par exemple fait de métal, présentant une périphérie 1910 et une partie centrale 1912 s'amincissant depuis la périphérie vers le centre du disque 1908, jusqu'à une ouverture centrale. Le disque résonateur 1908 comporte en outre un manchon central 1914 creux s'étendant perpendiculairement au disque 1908 depuis la périphérie de l'ouverture centrale, au travers d'une ouverture ménagée dans la plaque 1902. La périphérie 1910 du disque résonateur 1902 présente une face inférieure (dirigée vers la plaque 1902) recouverte d'un anneau piézoélectrique 1915, recouvert d'électrodes de la même manière que le disque piézoélectrique 402 de la figure 4. Ainsi, l'anneau piézoélectrique présente une face inférieure recouverte d'une électrode inférieure et une face supérieure dont les quarts sont recouverts respectivement de quatre électrodes supérieures, dont deux sont visibles sur la figure 19.

Le manchon 1914 traverse la plaque 1902 sans la toucher et débouche pour s'élever de la plaque 1902 d'une hauteur préférentiellement de l'ordre de la demi-longueur d'onde des ondes acoustiques se propageant dans l'air, soit 7.5 mm à 23 kHz au-dessus de la surface (ou 3.5 mm à 45 kHz). Le manchon 1914 est fermé du côté débouchant au travers de la plaque 1902.

Le système d'interface 1900 comporte en outre un dispositif de réception 1916 des ondes acoustiques 1906 se propageant dans l'air 1903 le long de la plaque 1902. Pour une meilleure réception des ondes émises dans l'air, le dispositif de réception 1916 comporte un disque résonateur 1918 similaire au disque 1908, avec un anneau piézoélectrique 1919 recouvert d'une électrode inférieure et de quatre électrodes supérieures de même taille que celle du disque 1908, lui conférant au minimum les mêmes fréquences de résonance, si ce n'est qu'il peut détecter davantage de fréquences de résonance en n'utilisant qu'un seul des signaux obtenus entre l'une des quatre électrodes supérieures et la masse. Le signal de réception peut également fournir un signal différentiel issu de deux quarts d'électrodes opposées par le sommet ou de deux demi-anneaux (en joignant deux quarts d'électrodes adjacentes) de sorte que son spectre de réception contient toujours au moins les mêmes fréquences que celle du transducteur émetteur 1908.

Cette configuration électrique à deux sources au moyen de quatre électrodes couplées deux à deux permet, d'une part, pour le dispositif émetteur, d'engendrer des mouvements de flexion du manchon émetteur rayonnant dans l'air ambiant des ondes acoustiques parallèlement au plan de la plaque et, d'autre part, pour le dispositif récepteur, de capter ces ondes aériennes dans la même bande de fréquence correspondant à une sensibilité maximale.

Le système d'interface 1900 comporte en outre un dispositif informatique (non représenté) similaire à celui des figures 1 à 17, et connecté aux électrodes des dispositifs d'émission 1904 et de réception 1916 de la même manière, de sorte que le dispositif d'émission reçoit les signaux de commande e1(t) et e2(t) , et que le dispositif de réception fournit le signal de réception r(t) .

Un exemple de dimensionnement des disques piézoélectriques 1908 et 1918 est illustré sur la figure 20.

En référence à la figure 21 , les électrodes du dispositif d'émission 1904 regroupent quatre électrodes 2102A, 2102B, 2104A, 2104B recouvrant respectivement les quatre quarts de la face supérieure de l'anneau piézoélectrique 1915. Les paires de deux électrodes opposées 2102A, 2102B et 2104A, 2104B sont destinées à être connectées pour recevoir les signaux de commande e1(t) et e2(t) comme dans l'exemple des figures 1 à 17. Sur la figure 21 la faisabilité de faire vibrer le manchon 1914 à partir d'un signal de commande a été testée en soumettant l'une des deux paires d'électrodes à un signal périodique de fréquence variable et d'amplitude 20 Vcc.

En référence à la figure 22 représentant l'amplitude de variation du manchon 1914 en fonction du signal de commande, le disque résonateur 1908 présente une fréquence de résonance à 22950 Hz à laquelle l'amplitude de vibration du manchon 1914, mesurée au vibromètre laser, est de six micromètres crête à crête.

Ainsi, il est possible d'obtenir une vibration du manchon de quelques micromètres, suffisante pour générer des ondes acoustiques aériennes le long de la plaque 1902, à partir d'un signal de commande de quelques Volts.

Le système d'interface 1900 fonctionne de la manière suivante.

Le dispositif informatique fournit les signaux de commande e1(t) et e2(t) au dispositif d'émission 1904.

En réponse, le disque résonateur 1908 du dispositif d'émission 1904 se met à vibrer.

La partie centrale 1912 amplifie la vibration mécanique de sorte que le manchon 1914 bascule et vibre, en fonction des pondérations d'amplitude des signaux de commandes e1(t) et e2(t) .

Le manchon 1914 forme une zone d'adaptation d'impédance transmettant efficacement les ondes mécaniques en ondes acoustiques aériennes 1906 au raz de la plaque 1802, selon un diagramme de directivité fonction des pondérations.

Ainsi, en fonction des pondérations successives, les ondes acoustiques aériennes 1906 présentent successivement des répartitions spatiales d'amplitude dans l'air 1903 à la surface de la plaque 1902, différentes les unes des autres.

D'une manière similaire à celle décrite pour le système des figures 1 à 17, le dispositif informatique détecte et localise la présence d'une perturbation dans l'air à la surface de la plaque 1902 créée par un obstacle tel qu'un doigt, à partir du signal de réception r(t) . La perturbation commence à être détectable à partir d'une certaine distance d'approche de l'obstacle, réglable de quelques millimètres à quelques centimètres de la plaque 1902 en fonction de la hauteur de la partie du manchon débouchant au-dessus de la plaque de verre 1902.

En référence à la figure 23, un système d'interface 2300 avec et sans contact selon l'invention est quasiment identique au système d'interface 1900 de la figure 19, de sorte que les mêmes références sont utilisées pour les éléments identiques.

Le dispositif d'émission 1904 du système d'interface 2300 comporte en outre une nervure périphérique 2302 s'étendant sur la face intérieure de la périphérie du disque piézoélectrique, et collée à la plaque 1902 de sorte qu'une partie des vibrations mécaniques sont transmisses en tant qu'ondes acoustiques sismiques 2304 dans la plaque 1902, de la même manière que cela se produisait dans le système des figures 1 à 17, tandis qu'une autre partie des vibrations mécaniques sont transmisses dans l'air proche de la plaque 1902 en tant qu'ondes acoustiques aériennes 1906.

Le dispositif de réception 1916 est modifié de la même manière que le dispositif d'émission 1904.

De préférence, le dispositif d'émission 1904 est conçu de sorte que la proportion d'ondes émises dans les deux milieux soit comparable. Le couplage solide-solide entre le dispositif d'émission et la plaque 1902 étant plus efficace que la transmission solide-air, le contact par la nervure 2302 suffit. Bien évidemment, tout autre type de contact pourrait également convenir.

La perturbation démarre ainsi avant qu'il y ait contact en raison de la perturbation des ondes aériennes.

Le procédé d'apprentissage est donc modifié pour comprendre deux apprentissages : l'un correspondant à une perturbation sans contact, c'est-à-dire uniquement des ondes aériennes, l'autre correspondant à une perturbation avec contact, c'est-à-dire une perturbation simultanée des ondes acoustiques aériennes et des ondes acoustiques sismiques. Le spectre d'excitation pour la partie sismique peut être large bande et réparti par exemple sur quarante fréquences entre 20 kHz et 100 kHz comme dans le cas précédent, tandis que l'excitation et la réception des ondes aériennes se fera à une seule (par exemple 22 950 Hz) voire deux fréquences (par exemple 22 950 Hz et 65850 Hz) de résonance mettant en œuvre une flexion du manchon.

Cette configuration permet de fixer par collage les transducteurs émetteur et récepteur à la paroi de la plaque. Le couplage direct entre les deux transducteurs via la plaque et via l'air est donc stable et indépendant de tout autre dispositif support. Les transducteurs restent mécaniquement couplés au monde extérieur via des câbles coaxiaux de petit diamètre, typiquement inférieur au millimètre représentant une perturbation faible et constante. En outre, dans le cas du montage de la figure 23 les trous pratiqués pour le passage du manchon sont étanches de sorte que la plaque peut constituer l'une des parois d'une cage fermée et/ou étanche. L'air ambiant peut éventuellement être remplacé par tout autre gaz, voire tout autre fluide, en particulier un liquide et la cage constituer un récipient de sorte qu'une interaction localisée puisse correspondre soit à un contact du doigt sur la face externe du récipient soit à la présence d'une perturbation dans le liquide consistant en une rupture d'impédance mécanique (passage d'un petit poisson au voisinage de la paroi, apparition d'une bulle d'air, etc .).

En variante encore, le disque résonateur est disposé du côté de la plaque où la perturbation doit être détectée et le manchon s'étend à l'opposé du contact entre le disque et la plaque. De cette manière, le manchon ne traverse pas la plaque et il n'est pas utile de percer cette dernière.

En variante encore, le manchon s'étend de part et d'autre de la zone centrale s'amincissant et permettant une adaptation d'impédance. Le manchon est alors ouvert d'un côté et fermé de l'autre, ou alors il est ouvert des deux côtés. Dans cette variante, il est possible de détecter des perturbations, avec et sans contact, sur chaque face de la plaque.

En perfectionnement, afin de faciliter la détection des ondes aériennes au voisinage de la surface de la plaque, un arc de tube formant une « antenne oreille » peut être fixé à la surface de la plaque, par exemple dans un coin de cette dernière. L'arc de tube est de préférence concentrique au manchon du récepteur et de même hauteur que ce dernier. L'épaisseur de l'arc de tube peut par exemple être de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres.

L'arc de tube a pour effet d'augmenter la surface collectrice recevant les ondes diffractées par la présence du doigt ou d'un objet dans la zone de surveillance et de les réfléchir vers le manchon. L'arc de tube couvre par exemple un secteur angulaire égal à 90° en direction de l'espace où se produisent les interactions aériennes.

L'arc de tube est par exemple usiné dans la même matière que celle ayant servi pour l'usinage du disque résonateur. Dans ce cas, l'arc de tube s'étend de préférence de manière circulaire, avec un rayon interne de l'arc de tube égal à celui du disque résonateur.

En variante, l'arc de tube est réalisé dans une pièce séparée par exemple moulé dans un plastique qui est alors fixé sur la plaque du côté où se trouve le

manchon (ou des deux côtés de la plaque s'il y a deux manchons), à une distance plus importante du disque résonateur. L'arc de tube a dans ce cas un profil parabolique, son foyer étant confondu avec l'axe central du manchon. Ce profil est adapté à la détection de perturbations éloignées du dispositif récepteur.

L'arc de tube permet également au dispositif récepteur de capter les ondes acoustiques aériennes reçues dans le domaine audible et ainsi de fonctionner comme un microphone. Le dispositif récepteur fonctionne donc en capteur bi-milieux pour la localisation d'une perturbation avec et sans contact et pour la détection de sons dans une certaine bande de fréquence, par exemple dans la bande de fréquence audible permettant une interaction par la voix.

En outre, toujours en perfectionnement, un arc de tube peut également être disposé autour du dispositif d'émission, afin d'augmenter l'intensité du champ acoustique émis par le dispositif d'émission le long de la face de la plaque à surveiller.

Dans le cas d'émission d'ondes acoustiques dans un fluide, notamment dans l'eau ou l'air, les ondes sont des ondes de compression et l'énergie acoustique, même restreinte à la bande ultrasonore, peut altérer aux fortes puissances et en cas d'exposition prolongée la perception auditive. L'excitation doit alors être faite en assurant une protection auditive des personnes et des êtres vivants par l'amplification du signal reçu typiquement par un gain de 40 à 80 dB et en limitant l'amplitude d'excitation à un niveau compatible avec les seuils de sécurité. Pour fixer les idées, une vibration d'amplitude 1 μηι dans l'air à 23 kHz engendre une pression dynamique de 64 Pa, soit environ 130 dB équivalent acoustique (si notre seuil d'audition de 2.10"5 Pa, restait valable à 23 kHz). L'énergie mécanique ultrasonore, même non perçue par les récepteurs de l'oreille, doit être limitée. Ceci est possible éventuellement en procédant, en sus de l'amplification du signal reçu conjointement à la limitation du signal d'excitation, à une excitation intermittente, engendrant dans le milieu une valeur d'exposition moyenne plus faible, typiquement inférieure à 85 dB à 1 cm de la source, pour une référence de pression de 2.10-5 Pa. Ainsi, l'énergie acoustique émise dans le fluide peut, ponctuellement dans le temps, être supérieure à 85 dB, notamment très près de la source, mais reste en moyenne dans le temps et partout dans le milieu fluide, inférieure à 85 dB que ce soit pour le domaine ultrasonore mais bien sûr aussi pour le domaine audible.

En outre, dans le cas où l'on procède à une amplification, la détection de faibles perturbations est facilitée si le gain est choisi pour que l'amplitude maximale crête à crête du signal reçu à vide (c'est-à-dire sans contact) atteigne la pleine échelle du convertisseur analogique numérique ADC (« Analog to Digital Converter ») utilisé et si le rapport signal sur bruit est amélioré en procédant, à la suite de l'amplification, à un filtrage passe-bande correspondant au spectre d'excitation utilisé (exemple 20kHz-100kHz).

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, un système similaire à ceux décrits précédemment pourrait être utilisé dans le domaine du contrôle non destructif. En effet, toute autre cause de rupture d'impédance à la surface ou à l'intérieur d'un objet causera une perturbation que l'utilisation d'ondes acoustiques sismiques émises avec des répartitions spatiales d'amplitude dans l'objet à des fréquences respectives, différentes les unes des autres, pourra permettre de détecter comme expliqué précédemment. Ces causes peuvent être des petits défauts d'usure ou de fatigue dans les matériaux, en particulier les fissures ou les éclats dans des matériaux longilignes à section constante tels les rails, les tubes, les tiges, dont la section doit rester intègre sur des longueurs supérieures à la zone de couverture des transducteurs, mais également des délaminages localisés apparaissant sur des matériaux surfaciques tels les pales, les coques, les plaques.

Le procédé de localisation décrit précédemment étant extrêmement sensible aux très faibles perturbations, il sera avantageux de l'utiliser pour la détection de très petites fissures ou très petites zones de délaminage, voire pour détecter la présence de gouttes à la surface d'un pare-brise, des quantités de bulles ou des fluctuations de densité dans un liquide contenu dans un réservoir, voire suivre ou caractériser la maturation d'un produit alimentaire. Pour tous ces cas de figure, une impulsion acoustique sous forme de rafale avec modulation de fréquence à répartition spatiale d'amplitude variant au cours du temps, tels les dispositifs d'émission qui viennent d'être décrits et dont le diagramme de rayonnement varie au cours du temps, est émise dans le milieu où une perturbation est susceptible de se produire. Ces ondes acoustiques sont émises tout d'abord pendant une phase d'apprentissage avec des perturbations types pour obtenir des signaux de réception de référence, et puis pendant une phase de surveillance où le signal de réception est comparé aux signaux de réception de référence.

Par ailleurs, les procédés de détection et de localisation d'une perturbation, en particulier d'un contact, décrits précédemment pourraient être modifiés pour détecter des perturbations multiples.

En effet, grâce au fait que le signal de réception est normalisé relativement aux signaux de réception de référence correspondant à des perturbations uniques, il est possible de détecter des perturbations multiples en augmentant l'ensemble d'apprentissage des combinaisons linéaires de perturbations uniques.

Cette propriété a été vérifiée par expérience sur un système de surface tactile tel que celui des figures 1 à 17, mais avec comme support une coque plastique en Nylon polyamide PA12 plutôt qu'une plaque de verre. La raison en est la suivante : dans le cas où le diagramme de rayonnement est à variation spatiale lente, c'est-à-dire, dans l'espace de Fourier, associé à des fréquences spatiales plus faibles que celles du doigt ou de la perturbation, ce qui est le cas d'un rayonnement dipolaire, la perturbation est proportionnelle à la surface de contact. Ceci est d'autant plus vrai que la perturbation des ondes de volume est globalement faible et que la perturbation par amortissement visqueux, phénomène non linéaire dépendant de la vitesse de vibration, est plus faible. Il ne reste alors que la perturbation liée au phénomène de diffraction des ondes, le champ reçu diffracté par la ou les interactions multiples étant, selon le principe d'Huygens-Fresnel, l'intégrale de Kirchhoff-Sommerfeld appliquée à la ou aux surfaces d'interaction. Or le principe d'Huygens-Fresnel veut que chaque zone d'interaction se comporte comme une répartition de points sources secondaires. Le champ total diffracté pour un contact multiple est donc bien la somme des champs diffractés pour des contacts ponctuels. Ce raisonnement est encore plus valable dans l'air où il n'y a pratiquement pas d'amortissement visqueux, mais uniquement diffraction des ondes aériennes.

En référence à la figure 24, la première courbe montre l'amplitude fréquentielle du signal de réception normalisé relatif d'un contact à une position A de la coque. La seconde courbe montre l'amplitude fréquentielle du signal de réception normalisé relatif d'un contact à une position B de la coque. Et la courbe du bas montre la superposition, d'une part, de la somme des deux premières courbes, et, d'autre part, de la courbe obtenue par apprentissage direct en exerçant simultanément deux contacts aux positions A et B. Aux erreurs de positionnement des contacts près, on note que les deux courbes sont presque identiques et donc la perturbation somme est la somme des perturbations individuelles.

Il apparaît clairement que des systèmes tels que ceux décrits précédemment permettent de détecter et localiser une perturbation sans nécessiter de guides d'ondes acoustiques, ni de procéder à des calculs de temps de transit.

En référence aux figures 25 et 26, d'autres signaux de commande que ceux présentés plus haut pourraient être utilisés.

Par exemple, un cas particulier intéressant serait de reprendre la composante hors plan du champ acoustique total indiquée précédemment :

de fixer k = 0.5 , et d'introduire un déphasage φ entre les deux sources dipolaires :

Les amplitudes des signaux de commande e1(t) et e2(t) sont alors constantes dans le temps et leurs fréquences sont les mêmes. Le paramètre qui change est le déphasage φ entre les signaux de commandes, et donc entre les deux sources dipolaires.

Les figures 25 et 26 illustrent les diagrammes de directivité observés expérimentalement sur une plaque de dimensions 360 mm x 220 mm x 3.3 mm pour φ = 0 et φ = π Ι 2 . Les autres paramètres sont f=40400 Hz, k=0.5, E01=E02=20 Volts, de sorte que A01=A02. Il est ainsi possible de changer radicalement le diagramme de directivité en changeant simplement le déphasage entre les signaux de commande e1(t) et e2(t) par exemple par 40 paliers espacés de 2 ° entre 0 et 90°.

En référence à la figure 27, un système 2700 d'interface avec et sans contact, conçu pour en outre produire un retour vibrotactile dans la plaque de verre va être décrit.

Le système 2700 comporte les mêmes éléments que le système de la figure 19, avec en outre une pièce mobile 2702 de mise en vibration insérée dans le manchon du disque résonateur 1910. La pièce mobile comporte une tige 2704 insérée dans le manchon et s'étendant suivant l'axe de ce dernier. La pièce mobile comporte en outre une masselotte 2706 fixée à la tige de manière excentrée par rapport à l'axe de la tige. La masselotte est par exemple en forme de demi-disque et est de préférence située de l'autre côté du disque résonateur que le manchon.

La pièce mobile est emprisonnée dans le manchon, mais peut continuer à tourner autour de l'axe de la tige.

Un retour vibrotactile peut ainsi être généré, par exemple pour valider une action ou un choix d'un utilisateur agissant sur le système d'interface, en fournissant des signaux de commande e1(t) et e2(t) sinusoïdaux et en quadrature l'un de l'autre, à la fréquence de résonance du disque résonateur, par exemple à 22 950 Hz. Grâce à de tels signaux de commande, la masselotte est mise en rotation avec une vitesse qui dépend directement de l'amplitude de la vibration ultrasonore du manchon.

Par exemple, il a été trouvé que, pour un diamètre interne du manchon de 3 millimètres, la pièce mobile peut tourner à une vitesse qui peut aisément atteindre 100 à 200 tours par seconde, produisant ainsi une forte vibration transmise dans la coque ou la plaque. Pour éviter la rotation de la masselotte, il suffit de fournir des signaux de commande en phase l'un avec l'autre et avec une intensité plus faible.

En variante, la pièce mobile de mise en vibration peut avantageusement être logée dans le manchon du dispositif récepteur, mais basculé en mode émetteur au moment où l'on souhaite appliquer le retour vibrotactile, en fournissant des signaux de commande de la même manière que pour le dispositif émetteur.

L'intérêt de produire le retour vibrotactile à partir du dispositif récepteur réside dans le fait que les ondes acoustiques émises par le dispositif d'émission ne sont ainsi pas perturbées par les frottements de la pièce mobile contre la paroi interne du manchon. Le diagramme de rayonnement en émission est ainsi stable.

Au contraire, comme le dispositif récepteur reçoit les ondes aériennes ainsi que les ondes acoustiques véhiculées par la plaque, le contact de la pièce mobile contre les parois internes du manchon (du dispositif récepteur) ne perturbe soit pas, soit très peu et d'une façon constante qui peut facilement être corrigée par traitement du signal, le signal de réception.

On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

En particulier, les répartitions spatiales différentes d'une onde à l'autre pourraient être des répartitions spatiales de phase, à la place ou en complément des répartitions spatiales d'amplitude. En particulier, les différents types de signaux de commande décrits précédemment (changement de la contribution des deux sources et changement du déphasage entre les deux sources) entraînent des répartitions spatiales de phase différentes d'une onde à l'autre.

En outre, les signaux de commande pourraient ne pas être monochromatiques, mais avoir au contraire un spectre étendu. Ainsi, les ondes acoustiques émises (dans un solide ou dans l'air, suivant le mode de réalisation) auraient elles aussi un spectre étendu. Dans ce cas, le dispositif d'émission serait conçu pour que les spectres des ondes acoustiques présentent, chacune à au moins une certaine fréquence, des répartitions spatiales respective d'amplitude ou de phase différentes les unes des autres. Par exemple, les répartitions spatiales changent pour toutes les fréquences, d'une onde acoustique à l'autre.

Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.