Academic literature on the topic 'Antennes sphériques de microphones'

L'utilisation de réponses impulsionnelles spatiales de salles (spatial room impulse response, SRIR) dans la reproduction d'effets de réverbération de salle tri-dimensionnels connaît aujourd'hui une réelle démocratisation grâce à la commercialisation répandue d'antennes sphériques de microphones (spherical microphone array, SMA) et à une capacité de calcul numérique en croissance continue. Ces SRIR peuvent reproduire des effets de réverbération spatialisés sur des dispositifs immersifs ("surround-sound") à travers des convolutions multicanal de plus en plus performantes. De cette utilisation découle naturellement une demande pour des techniques d'analyse et de traitement non seulement capables d'assurer une reproduction fidèle, mais qui pourraient éventuellement aussi servir à contrôler différentes modifications de la SRIR de façon plus créative que réaliste. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est de développer un environnement complet d'analyse, de traitement, et de manipulation temps-fréquence-espace de SRIR. Les outils d'analyse doivent mener à une modélisation approfondie permettant ensuite un traitement de la mesure vis-à-vis de ses limitations intrinsèques (conditions de mesure, accumulation de bruit de fond, etc.) ainsi qu'une capacité à faire évoluer certaines caractéristiques de l'effet de réverbération décrit par la SRIR. Ces caractéristiques peuvent être tout à fait objectives, c'est-à-dire explicitement reliées à différents paramètres du modèle, ou alors plutôt informées par une connaissance de la perception humaine de l'acoustique des salles. Les aspects théoriques de ce projet de recherche sont présentés en deux parties principales. Dans un premier temps, le modèle de signal de SRIR sous-jacent est décrit en s'inspirant directement des approches historiques dans les domaines de la réverbération artificielle et le traitement de SMA, tout en y proposant plusieurs extensions. Le modèle de signal est alors exploité afin de définir les méthodes d'analyse qui forment le noyau du cadre de traitement-manipulation final. Ces méthodes se focalisent particulièrement sur (a) l'identification du "temps de mélange" décrivant le moment de transition entre les premières réflexions et la réverbération tardive, (b) la génération d'une cartographie temps-espace des premières réflexions, et (c) l'estimation des paramètres régissant la décroissance exponentielle de l'enveloppe d'énergie de la réverbération tardive, à la fois en fréquence et en direction. La définition d'une procédure de génération de représentations directionnelles de SRIR (directional room impulse response, DRIR) est aussi nécessaire pour pouvoir prendre en compte la dépendance directionnelle de ces propriétés. En seconde partie, les paramètres de modélisation explicités par les méthodes d'analyse sont exploités à des fins soit de traitement (c'est-à-dire tenter de corriger certaines des limitations inhérentes au processus de mesure par SMA), soit de manipulation ou de modification plus créative de la SRIR. Deux méthodes de traitement sont développées en particulier : (1) une procedure d'atténuation de bruits non stationnaires agissant directement sur les signaux de mesure par balayages de fréquence exponentiels (exponential sweep method, ESM) répétés, et (2) une technique de débruitage basée sur une extrapolation et une resynthèse de la queue de réverbération tardive. Les descriptions théoriques ainsi complétées, les principales méthodes d'analyse ainsi que la génération de DRIR et le débruitage sont sujets à une série de tests de validation au cours desquels des SRIR simulées sont utilisées afin d'évaluer la performance, les limitations, et la paramétrisation des différentes techniques. Ces sous-études permettent à chaque méthode d'être vérifiée individuellement, et donnent un aperçu détaillé du fonctionnement interne des outils d'analyse. Enfin, une vue d'ensemble de l'environnement d'analyse-traitement-manipulation est obtenue [...]
The use of spatial room impulse responses (SRIR) for the reproduction of three-dimensional reverberation effects through multi-channel convolution over immersive surround-sound loudspeaker systems has become commonplace within the last few years, thanks in large part to the commercial availability of various spherical microphone arrays (SMA) as well as a constant increase in computing power. This use has in turn created a demand for analysis and treatment techniques not only capable of ensuring the faithful reproduction of the measured reverberation effect, but which could also be used to control various modifications of the SRIR in a more "creative" approach, as is often encountered in the production of immersive musical performances and installations. Within this context, the principal objective of the current thesis is the definition of a complete space-time-frequency framework for the analysis, treatment, and manipulation of SRIRs. The analysis tools should lead to an in-depth model allowing for measurements to first be treated with respect to their inherent limitations (measurement conditions, background noise, etc.), as well as offering the ability to modify different characteristics of the final reverberation effect described by the SRIR. These characteristics can be either completely objective, even physical, or otherwise informed by knowledge of human auditory perception with regard to room acoustics. The theoretical work in this research project is therefore presented in two main parts. First, the underlying SRIR signal model is described, heavily inspired by the historical approaches from the fields of artificial reverberation synthesis and SMA signal processing, while at the same time (incrementally) extending both. The signal model is then used to define the analysis methods that form the core of the final framework; these focus particularly on (a) identifying the "mixing time" that defines the moment of transition between the early reflection and late reverberation regimes, (b) obtaining a space-time cartography of the early reflections, and (c) estimating the frequency- and direction-dependent properties of the late reverberation's exponential energy decay envelope. In order to account for the directional dependence of these properties, a procedure for generating directional SRIR representations (i.e. directional room impulse responses, DRIR) that guarantee the preservation of certain fundamental reverberation properties must also be defined. In the second part, the model parameters made explicit by the analysis methods are exploited in order to either treat (i.e. attempt to correct some of the inevitable limitations inherent to the SMA measurement process) or more creatively manipulate and modify the SRIR. Two treatment methods in particular are developed in this thesis: (1) a pre-analysis procedure acting directly on repeated exponential sweep method (ESM) SMA measurement signals in an attempt to simultaneously increase the resulting SRIR's signal-to-noise ratio (SNR) while reducing its vulnerability to non-stationary noise events, and (2) a post-analysis denoising technique based on replacing the SRIR's background noise floor with a resynthesized extrapolation of the late reverberation tail. The theoretical descriptions thus complete, the main analysis methods as well as the DRIR generation and the denoising treatment procedures are then subjected to a series of validation tests, wherein simulated SRIRs (or parts thereof) are used to evaluate the performance, discuss the limitations, and parameterize the implementation of the different techniques. These sub-studies allow each method to be individually verified, resulting in a comprehensive investigation into the inner workings of the analysis toolbox (as well as the denoising process). Finally, to provide a concluding overview of the complete analysis-treatment-manipulation framework, similar studies are carried out using examples of real-world [...]

Cette thèse a pour objectif de reproduire au mieux un champ sonore enregistré par une antenne de microphones au moyen d'un réseau de sources secondaires. Pour y parvenir, nous avons dans un premier temps réalisé une étude approfondie des représentations harmoniques et intégrales des champs sonores. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point des algorithmes qui utilisent la représentation du champ sonore en ondes planes pour effectuer l'analyse et la synthèse.L'algorithme d'analyse proposé est un algorithme de formation de voies donnant une solution analytique au problème de la minimisation du repliement. Le problème de l'optimisation de la géométrie de l'antenne est aussi abordé. L'algorithme utilisé pour la synthèse est un algorithme flexible pour l'égalisation dans un contexte multicanal, qui permet de réduire les artefacts des méthodes traditionnelles, tels que le pré-écho et le post-écho. Finalement, l'efficacité de ces algorithmes d'analyse et de synthèse est démontrée par des simulations et validée par des manipulations.

Les matériaux de traitement acoustique tels que les mousses, tissus ou moquettes sont utilisés dans de multiples domaines afin d'absorber le son. Cela peut être à des fins de protection (travailleurs) ou pour apporter du confort (bâtiments, voitures, avions, etc ). Afin de dimensionner et choisir quel matériau utiliser en fonction de chaque situation, on utilise des calculs prévisionnels basés sur les caractéristiques des matériaux et permettant d'obtenir leur coefficient absorption où encore l'impédance de surface.Les caractérisations sont classiquement réalisées en laboratoire à partir de mesures normalisées via le tube d'impédance ou la méthode de la chambre réverbérante. Néanmoins, celles-ci possèdent de nombreuses limitations.La problématique de ce projet de doctorat est de trouver des solutions à partir de mesures réalisées à l'aide d'une antenne de microphones pour calculer les caractéristiques de matériaux acoustiques de manière fiable et robuste tout en dépassant les limitations des méthodes usuelles. Ce document est une synthèse des travaux menés dans cette direction. Le problème est traité au travers de deux grandes approches, les approches de type holographique où l'on reconstitue la pression acoustique et la vitesse normale particulaire pour estimer l'impédance de surface et les approches de correspondance de modèle (optimisation) où l'on identifie l'impédance de surface qui minimise l'erreur entre les mesures et le modèle. Les méthodes développées sont présentés pour différentes géométries d'antenne de microphones : sphérique, hémisphérique et planaire. Elles sont séparées entre les méthodes qui dépendent d'une géométrie et celles qui peuvent être appliquées à plusieurs géométries. Des simulations et des expériences sont réalisées afin de valider les modèles développés, enfin les avantages et inconvénients des méthodes proposées sont discutés
Sound absorbing materials such as foams, textiles or carpets are used in many areas to absorb sound. This can be for protection (workers) or comfort (buildings, cars, airplanes, etc.).In order to dimension and choose which material to use according to each situation, predictive calculations are used based on characterizations giving the absorption coefficients and/or surface impedance of the said materials.The characterizations are typically carried out in the laboratory using standardized measurements techniques such as the impedance tube or the reverberation chamber method. However, these have many limitations. The problematic of this PhD project is to find solutions by using a microphone antenna system to determine the properties of acoustic materials in a reliable and robust way while overcoming the limitations of conventional methods. This document is a synthesis of the work carried out in this direction. The problem is addressed through two main approaches, the holographic type approaches where one reconstructs the sound pressure and the normal particle velocity to estimate the surface impedance and the model matching (optimization) approaches where one identifies the surface impedance that minimizes the error between the measurements and the model.These models are presented for different microphone antenna geometries: spherical, hemispherical and planar. They are separated between methods that depend on one geometry and those that can be applied to several geometries.Simulations and experiments are shown to validate the developed models

Nombre de travaux antérieurs sur les lentilles sphériques, dont celle de Lüneburg, existent. Malgré tout, des nouveautés sont présentées dans cette thèse. La principale concerne la Méthode de Régularisation Analytique appliquée aux antennes imprimées circulaires conformées sur sphères associées à des lentilles à distribution sphérique. Plusieurs types d’alimentations sont traités : sondes coaxiales et fentes. Elle met en évidence un certain nombre de résonances, effets de masquage des conducteurs, etc. La méthode est par ailleurs rapide et précise, même pour de grandes structures. D’un point de vue technique, un certain nombre de thèmes sont traités. Premièrement, un matériau léger est caractérisé et utilisé pour les antennes conformées. De plus, une technique simple de fabrication artificielle du gradient d’indice est proposée et testée. Par ailleurs, afin d’utiliser des lentilles dans le cadre du multifaisceaux, le couplage ainsi qu’un critère de séparation de signaux sont étudiés. Puis, est réalisée une étude expérimentale sur le choix de l’antenne primaire associée à la lentille et les effets de la lentille de Lüneburg.

La directivité d'une source sonore intervient dans de nombreuses applications en acoustique, allant de la compréhension des phénomènes physiques aéro-acoustiques jusqu'à la reproduction sonore spatialisée. Pour estimer expérimentalement cette signature spatiale, il est d’usage de déployer les microphones de sorte à englober partiellement ou totalement les sources. Le rayonnement acoustique est ainsi capté dans toutes les directions de l'espace. Sur ce principe, nous proposons dans ce manuscrit le développement d'un réseau microphonique 3D de grandes dimensions. L'antenne baptisée MODO ("Les Murs Ont Des Oreilles") comprend un total de 1024 MEMS digitaux, répartis sur les murs et les parois d'une salle rectangulaire classique. Pour localiser les sources acoustiques et caractériser leur directivité, nous résolvons le problème inverse associé sous contrainte de parcimonie structurée. La méthode choisie exploite le faible nombre de sources dans la salle, autorisant une représentation parcimonieuse du champ sonore mesuré. Le formalisme des harmoniques sphériques est utilisé pour décomposer efficacement la directivité des sources et les composantes élémentaires de rayonnement qui la compose. Les trajets de propagation acoustique sont modélisés via l'intégration des fonctions de transfert de la salle, qui sont synthétisées grâce au principe des antennes virtuelles. Nous validons la méthode de caractérisation proposée sur des sources directives connues, dont la directivité est étalonnée au préalable à l'aide d'une antenne sphérique d'ordre élevé
Knowing the directivity pattern of an acoustic source is useful in many applications in acoustics. To experimentally estimate the spatial signature, it is common to deploy microphones partially or totally surrounding the source. The acoustic radiation is then captured in all possible directions. In this thesis, we discuss the development of a large-scale 3D microphone array. This array, named "MODO" ("Les Murs Ont Des Oreilles", or, "The Walls Have Ears"), is comprised of 1024 digital MEMS microphones, flush mounted on the walls and the ceiling of a typical shoe-box room. In order to localize the sources and identify their directivity pattern, we solve the associated inverse problem under block-sparsity constraints. The chosen method exploits the small number of sources inside the room, allowing a sparse representation of the measured sound field. We use the spherical harmonics formalism to efficiently describe the directivity of the sources and their individual contributions to the radiation pattern. The acoustic path is modelled via integration of room transfer functions, synthesized with the mirror microphone method. We validated the proposed characterization method \textit{in situ} by comparison with known directivity patterns, calibrated using a high order spherical microphone array in controlled conditions

Dans le contexte actuel où l’évolution des systèmes sans-fil est jugée importante, il estnécessaire de pouvoir réduire les pollutions électromagnétiques qui limitent l’acceptabilité descommunications et la cohabitation des systèmes. D’une façon générale, les besoins de contrôle durayonnement des antennes miniatures répondent donc à une demande croissante pour améliorer lesportées mais aussi pour limiter les interférences dans les systèmes sans-fil. Ces dernières années,malgré le développement connu dans les domaines des antennes, la question du contrôle durayonnement des antennes miniatures connait plusieurs barrières empêchant leur déploiementtechnologique. L’approche retenue dans le cadre de cette thèse est le développement de nouveauxconcepts de contrôle du rayonnement des antennes miniatures par la mise en oeuvre de différentestechniques. Cette étude a pour objectif de soulever quelques questions concernant un sujet d’étude peuexploré
In the current context where the evolution of communicating objects is important indifferent growing fields such as: localization, wireless multimedia systems, etc., controlling theradiation pattern of antennas is one of the most important issues for future radio communicationsystems. In recent years, despite the growth experienced in the areas of antennas, the issue of smallantennas radiation control knows several barriers preventing their deployment. This thesis focuses onthe analysis of the problem of controlling the radiation pattern of small antennas and aims to raisesome questions about a little-explored subject of study. This work gives an approach using differenttechniques to develop new concepts of controlling the radiation pattern of antennas

Le traitement d’antenne réalisé par un réseau de microphones permet l’extraction d’un signal cible dans un environnement bruité. Dans ce travail, une calibration automatique est proposée pour supprimer la différence de gain entre les microphones tout en gardant la même puissance moyenne en sortie de l'antenne fixe. Deux nouveaux contrôleurs de mode d'adaptation (AMC pour Adaptation Mode Controller) sont proposés pour la mise à jour des coefficients des filtres suivant la situation détectée (présence de signal cible ou d’interférence). Ces AMC sont basés sur une estimation du rapport signal-à-interférence. Les résultats des évaluations dans un environnement réel montrent que les AMC proposés contribuent à une meilleure qualité du signal de sortie ainsi qu'à une augmentation du taux de reconnaissance vocale pouvant atteindre 31% en comparaison d’un AMC conventionnel. Ces systèmes sont intégrés au robot PaPeRo développé par NEC et destiné à vivre en interaction avec les humains.

Les travaux effectués pendant cette thèse portent sur la modélisation réaliste de canaux radios hétérogènes Ultra Large Bande. La plateforme de simulation de canal PyRay, détaillée au cours de ce manuscrit, rend compte des phénomènes physiques en présence dans un canal de propagation, en y intégrant de façon appropriée l’effet large bande des matériaux et des antennes, afin d’augmenter son réalisme. En se plaçant à un niveau intermédiaire au plan de la description de la physique entre la simulation électromagnétique exacte et l’usage très simplifié d’un diagramme de rayonnement scalaire d’antenne, le développement en harmoniques sphériques vectorielles est utilisé pour rendre compte efficacement de la fonction de rayonnement des antennes dans l’outil de modélisation du canal proposé. Cette approche a le double avantage de permettre une représentation compacte des antennes et de pouvoir regénérer sans interpolation la fonction vectorielle d’antenne dans toute direction arbitraire. La méthode d’implémentation matricielle qui peut être appliquée à tout simulateur à base de tracé de rayons est décrite dans ce manuscrit. PyRay évolue graduellement vers une plateforme de simulation radio hétérogène, intégrant la mobilité des noeuds radios en vue d’une exploitation dans divers contextes applicatifs dont celui très important de la localisation
The main objective of the thesis is to develop a realistic heterogeneous Radio Access Technology physical layer simulator which allows indoor radio propagation modeling for multistandard systems, including Ultra Wide Band. The proposed 3D-Ray Tracing simulation tool PyRay is based on a 3D implementation of Geometrical Optics and Uniform Theory of Diffraction, taking into account all electromagnetic wave propagation effects, antenna patterns, polarization effects and material impacts. It uses Vector Spherical Harmonic expansion of antenna radiation function, as a solution for both issues: compression of the amount of data needed for describing antenna characteristics and fast and correct retrieval of antenna array response for waves coming from arbitrary directions. The presented approach stands at an intermediate level between the exact electromagnetic simulation and the use of a scalar radiation pattern in a simplified manner. The implementation matrix method which can be applied to any simulator based on RT is detailed here. PyRay tool follows a continue development progress, evolving towards a heterogeneous radio simulation platform, that will integrate the mobility of radio nodes which is relevant in different application areas, such as localization

Certaines lentilles inhomogènes à gradient d'indice présentent de nombreuses propriétés intéressantes (focalisation, dépointage, comportement large bande, etc.).
Parmi celles-ci, la lentille hémisphérique "Half Maxwell Fish-Eye" (HMFE) a rarement été étudiée auparavant. Cette thèse a pour but d'approfondir les connaissances sur cette lentille. Des outils de conception et d'analyse ont ainsi été développés.
Une méthode d'optimisation de la discrétisation du gradient d'indice a été proposée et appliquée aux lentilles HMFE et de Luneburg. Elle permet de choisir les paramètres des lentilles stratifiées et est généralisable à tout type de loi à dépendance radiale tant diélectrique que magnétique.
La majeure partie de ce travail de thèse est consacrée au développement de deux codes de calcul utilisant la technique de raccordement des modes basée sur les fonctions d'ondes sphériques.
Le premier code permet l'analyse rapide des lentilles stratifiées de forme sphérique et hémisphérique de toute taille associées à une source réelle. Le second est formulé pour prendre en compte des structures stratifiées de forme arbitraire avec la possibilité d'introduire du métal. Cette méthode est appliquée à l'étude d'objets diffractants de révolution.
D'un point de vue applicatif, les performances en focalisation des antennes lentilles HMFE sont analysées et comparées à celles des lentilles de Luneburg. Les capacités de dépointage de cette lentille sont aussi quantifiées et une antenne lentille HMFE reconfigurable est présentée.
Ces performances sont validées par des mesures d'antennes lentilles HMFE en ondes millimétriques.