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Nous avons eu de grandes difficultés à constituer un groupe, nous avons fait notre première réunion le 26/01/17.

(Félix, Xiong, Michel, Kaelan ⇒ 2h) Nous avons fait cette réunion pour réfléchir à une idée de projet intéressant et peu fait; Kaelan avait initialement envie de reproduire des expériences de lévitation, ce qui ne faisait pas l'unanimité dans le groupe. Michel avait une idée, à laquelle il pensait depuis quelque temps, qui consisterait à étudier les principes du filtrage actif en acoustique. Nous avons donc réfléchi à ce qu'on pourrait faire dans le cadre de l'UE. Nous avons d'abord pensé à un dispositif à une dimension: on enverrait un son et un autre similaire mais avec un déphasage avec une deuxième enceinte, en commençant par des sons purs, de type diapason. Nous avions prévu de nous réunir pour en reparler, car nous n'étions pas sur de bien vouloir mettre en oeuvre ce projet.

Pendant cette deuxième réunion, nous avons longuement remis en question la faisabilité du premier projet proposé. En effet, en faisant nos propres recherches, nous nous sommes rendus compte que nous n'allions pas pouvoir aller très loin, et travailler sur un filtrage actif à une dimension ne nous satisfaisait pas; Michel a aussi discuté avec un professeur d'acoustique, qui lui a dit que cela serait tres difficile et serait surtout un travail de précision et de réduction d'incertitudes.

Nous avons donc cherché d'autres sujets, en revenant tantôt sur la lévitation, en évoquant d'autres projets, mais on voyait toujours des limites à nos idées. Finalement, avec du recul, beaucoup de sujets auraient pu faire l'objet d'un projet, nous étions dans une recherche du sujet parfait qui nous a fait perdre du temps pour le projet. Nous nous étions donc mis d'accord sur l'effet Larsen en fin de réunion, toujours en se disant qu'il fallait se revoir le lendemain.

Nous avons remis en question l'idée de l'Effet Larsen, avec des arguments similaires au refus de la première idée de projet; ce qu'on allait pouvoir réaliser comme expérience (reproduction de l'effet Larsen, conception d'un dispositif “anti-Larsen” ce qui revenait a un filtre passe bande) ne nous satisfaisait pas. Finalement, après trois réunion infructueuses, nous nous sommes mis d'accord sur notre sujet final (plus de remise en question possible!) L'Echo-localisation.

Ce sujet nous a paru intéressant dans la mesure ou il combine des idées physiques simples (sonar, effet doppler) avec du traitement numérique, ce que nous avions envie de faire, en particulier Felix et Xiong.

Pour la semaine 3 donc: nous allons faire une première expérience d'écholocalisation à une dimension (montage simple en ligne droite, principe du sonar). Ensuite, on va faire un montage simple d'effet Doppler avec un mobile, ou il va falloir introduire du traitement en fréquence, donc numérique (analyse de spectre)

En attendant, nous allons rechercher chacun de notre coté toutes les bases théoriques nous permettant de mener à bien le projet. (sonar, Doppler, fonctionnement chauve souris, ultrasons)

Nous allons avoir besoin d'un emetteur ultrason, de 2 micro de fréquence ultrasonore.

Nous allons sûrement aussi essayer de faire une reconstitution d'une image, sur le principe de l’échographie, avec une simulation informatique.

Michel nous a proposé l'idée de concevoir un dispositif d'écholocalisation, sous la forme d'un casque, qui émet des ultrasons et qui renvoie dans l'oreille de l'utilisateur un signal sonore normal, qui indique la distance d'un mur en fonction de la fréquence du son. Concrètement, on pourrait imaginer une utilisation pour les aveugles, avec un dispositif plus élaboré.

Nous avons trouvé plusieurs articles intéressants qui traitent du sujet: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4536767/

http://www.instructables.com/id/Ultrasonic-Batgoggles/step9/put-electronics-in-an-enclosure/

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=81565

Notre casque se rapprocherait le plus possible du premier article.

Nous nous sommes rendus compte qu'il fallait se dépêcher et travailler d'une manière plus efficace en groupe. Cette réunion a été très bénéfique car nous avons gagné en motivation, et le déroulement est apparu plus limpide aux yeux de tous.

Pendant cette réunion nous avons fait notre diagramme de Gantt, présent ci-contre (à gauche). Nous hésitons encore quand à la réalisation d'experiences simples en attendant qu'on ait tout le matériel, en particulier les émetteurs/recepteurs à fréquences de 25 à 75 kHz environ. Nous tablons sur maximum deux semaines pour l'obtenir, sachant que s'il est déja à l'université cela sera plus rapide. Nous avons essayé de trouver les techniciens de l'UFR de physique à 18h le vendredi, mais maheureusement ils s'étaient déjà envolés en week-end. Felix et Michel vont donc y retourner sans doute mardi 14/02/17. Jeudi, nous nous retrouvons en début d'après midi pour discuter nos choix de diagramme de Gantt. En attendant, nous avons du travail théorique, sur la partie physique (Michel et Kaelan) ainsi que sur la partie traitement du signal, plutôt informatique (Felix et Xiong). La partie physique sera sans doute plus courte à traiter, dans quel cas nous participerons à l'élaboration du programme informatique, partie essentielle de notre dispositif de repérage par ultrason.

Durant cette semaine, les travaux de recherche ont été effectués, ce qui a représenté grossièrement 2h pour chaque personne du groupe. De plus, Michel et Felix ont réussi à récupérer 3 dispositifs d'émission/réception à ultrason (40 kHz). Nous nous sommes ainsi mis d'accord pour nous voir vendredi a partir de 15h pour faire une première manipulation, avec pour objectif de réaliser un circuit simple fonctionnel du type de l'image ci dessous.

Nous avons mis du temps à réaliser le circuit, en voulant être surs que l'on ne grille pas nos micros, et en s'assurant que la soudure se passe bien (nous avons soudé deux micro-émetteurs à des fils de cuivre pour se servir d'une plaque labdec dans un premier temps puis pour les souder a des câbles jack coaxiaux). Nous avons donc réalisé le schéma ci dessus. En fait, puisque, nos micros sont aussi émetteurs; il suffit d'appliquer une tension pour qu'il émette le son voulu (le micro était capable d'émettre à partir de 5 kHz, ce qui est audible, mais pour ce qui est de la réception, il est calibré pour mieux “percevoir” les fréquences d'environ 40 kHz). Pour le récepteur, il suffit de mesurer la tension a ses bornes pour voir ce qu'il capte.

A courte distance, l'amplitude reçue est quasiment la même que celle émise, seul le déphasage varie, ce qui est cohérent avec la théorie. On peut considérer que la perte en amplitude est tellement petite a courte distance (10 cm) qu'elle est négligeable, mais le son va mettre plus de temps à arriver, cela correspond à un déphasage, qui est mesurable directement sur l'oscilloscope. En théorie, on devrait avoir un déphasage de (10^¯¹/330) = 3*10^¯4 s , avec l'oscilloscope on mesure, avec les curseurs, 400 µs, ce qui est proche. (avec 10 cm de distance) (sur la photo, d ≠ 10 cm)

Nous avons par ailleurs bien avancé sur la partie théorique de notre projet, (Michel et Kaelan), que nous pouvons résumer.

Le choix des ultrasons est important: premièrement, il permet de ne pas être parasité par les bruits ambiants de nos voix, de nos pas, etc. Le récepteur “entendra” donc uniquement ce qui sera émis par l'ordinateur. Deuxièmement, les ultrasons correspondent a des ondes sonores très “directives”; Voici un diagramme de directivité. Sur la fiche technique de nos composants (http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/500000-524999/507764-da-01-en-ULTRASCHALL_EMPFAENGER_KPUS_40T_16R_K769.pdf) la directivité indiquée est 55°. C'est à dire que l'amplitude reçue dans la zone entre ± 55° sera perçue de manière beaucoup plus forte que les autres. Cela veut donc dire, pour comparer à un microphone hyper-cardioïde, qu'il est beaucoup plus directionnel; cela va nous aider dans la mesure ou l'on ne veut que recevoir les ondes qui arrivent en face du micro. On peut renforcer cette directivité en fabriquant des oreilles artificielles, en forme de cône, qui pourront réduire encore cette angle. Cependant, nous ne voulons pas le réduire trop au risque de ne plus percevoir les ondes arrivant avec un certain angle.

Ensuite, quelque chose que nous devons essayer de faire la semaine prochaine: réussir à émettre une impulsion à partir d'un ordinateur. En effet, même si il y avait des variations visibles avec l'oscilloscope, ce n'était pas très satisfaisant car le signal émis était continu; difficile de voir le retard (il y le problème du modulo 2Π..) Ainsi, avec une impulsion, on pourra voir exactement combien de temps l'onde a mis pour revenir, et en rajoutant un deuxième récepteur on pourra normalement facilement voir la position d'un obstacle, en comparant le retard de l'impulsion dans le micro 1 et celui du micro 2. En effet, si un objet est plus devant l'observateur, mais légèrement à gauche, le micro le plus à gauche captera en premier l'impulsion. On pourra ainsi estimer à quelle distance et a quel angle un obstacle se trouve. Pour le moment, on se cantonnera à l'étude d'un obstacle suffisamment long et large pour être sur que l'onde rebondisse bien sur lui.

On considère un obstacle situé à une distance di du récepteur i (i=1,2), formant un angle θ avec l'axe orthogonal à l'axe du dispositif.

On remarque que le déphasage ne dépend que de l'angle que l'obstacle forme avec le dispositif, dans le plan horizontal. Cela est vrai pour un obstacle ponctuel, décalé latéralement, mais il faudrait aussi prendre en compte le décalage vertical. Cependant, nous n'avons pas jugé cette idée vraiment cohérente avec notre projet, ce qui revient simplement a ajouter un troisième microphone sur notre dispositif. On considère qu'un humain se déplace dans le plan du sol, et non pas verticalement, ce ne serait donc pas pertinent de considérer des obstacles sans base au sol, même si il peut en exister, comme des panneaux latéraux.

• *NB**: Finalement, pour réaliser le casque, nous n'allons pas garder cette idée; on va modifier la fréquence du signal arrivant sur les “oreilles” de l'utilisateur, et la renvoyer par des écouteurs, sans calculer le déphasage. Cependant, nous allons effectuer des expériences simples reprenant ce raisonnement: nous allons faire varier l'angle et voir si le déphasage obtenu est cohérent avec notre formule obtenu (voir semaine 7/8)

Pendant cette réunion nous avons eu plusieurs problèmes sur le montage, on ne retrouvait pas la même chose que la dernière fois. Finalement, après une heure de diatribes et d'essais, c'était l'une des voies de l'oscilloscope qui était endommagée (très sensible au champ électrique exterieur). Nous avons aussi récupéré un cable jack-banane, ce qui permet de relier l'ordinateur au circuit électrique, et donc par la suite de gérer nos impulsions et le calcul du retard par ordinateur. Concrètement, avec la formule du haut, il suffira de prendre en compte le retard pour trouver la distance et l'angle, sachant que plusieurs mesures à meme distance permettront d'avoir un systeme a deux équations deux inconnues, facilement résolvable. On enverra ensuite une impulsion d'environ 5 kHz dans les écouteurs d'une personne, avec une amplitude inversement proportionnelle a la distance.

Félix a ramené 3 câbles double jack et sa carte son. Les micros/récepteurs ont été soudés aux câbles jack.

Grâce à un programme sous Python acquis sur internet (voir ci dessous), les récepteurs sont testés à travers la carte son. Il y a des difficultés à réussir à réceptionner les ultrasons émis, ceux ci ne semblent pas être reconnus sur la carte son. Le problème doit provenir du fait que le micro ne soit pas alimenté.

Une alimentation de table est utilisée afin d'alimenter le micro ainsi qu'une résistance (3,9 Ohm)et un condensateur (1µF). Le schéma suivant est suivi afin de réaliser le montage.

source montage du micro: Lien externe

              rate=RATE, input=True,\\
              frames_per_buffer=CHUNK)\\

Kaelan a réalisé un montage pour pouvoir mesurer l'angle entre l'axe orthogonal à l'axe du dispositif et l'axe passant par un obstacle. On pourra aussi aisément faire des mesures de distance et de voltage affiché sur l'oscilloscope pour les deux récepteurs. On précise qu'on a pas le meme voltage, pour les deux recepteurs; cela est surement du a la longueur différente des fils (cela sera corrigé dans le casque final). On a un fil de 15 cm, et un autre d'1m50, qui a donc une plus grande résistance (finalement cet effet est négligeable vu la surface de la section des fils). Cela est peut etre aussi du au fait que les micros en eux memes n'ont pas la meme sensibilité.

Une difficulté vient: avec le GBF, on ne peut que générer une onde continue, et pas une impulsion d'un temps bref. Cela ne change rien pour la mesure des distances, ou l'on ne s’intéressera qu'a l'amplitude du signal reçu. Pour cela, on utilise une planche de bois rectangulaire que l'on dispose sur une table comme sur la photo. Cela permettra, en utilisant la sensitivité des micros, de remonter a la loi qui indique que l'intensité d'un signal sonore se dissipe comme ceci: $ \small{I_0=\dfrac{P}{4πr²}} $ avec P la puissance acoustique de la source. Or, dans un microphone, l'intensité acoustique est convertie en voltage, avec une certaine sensibilité, donnée en mV/Pa; on a, pour 1 Pa, 1 mV. Or, l'intensité est également donnée par $ \small{I_0=\dfrac{P_a²}{ρc}} $ avec $ \small{P_a} $ la pression acoustique, ρ la masse volumique du milieu, et c la célérité de l'onde. On observe deja qualitativement une décroissance de voltage si on éloigne la planche de bois. [photo]

Le fait que notre signal soit continu rend les mesures d'angle, qui concernent le déphasage, plus complexes. En effet, les obstacles que l'on teste, comme une gomme, un regle, un rouleau d'étain cylindrique ont tous une géométrie particulière qui donne des résultats peu exploitables. Ainsi, une méthode est trouvée pour quand même le faire; on peut incliner notre plaque en bois. Cela va déphaser un des signaux; si on incline la plaque de facon a ce que le point en face du micro 1 par exemple, ne se décale pas, le signal du micro 1 n'est pas déphasé, alors que le signal du micro 2 l'est. Sur l'oscilloscope, cela fonctionne bien, il faut maintenant réussir a relier l'angle d'inclinaison de la planche de bois au déphasage.

La réalisation du casque parait plutot compromise, n'ayant pas acces a la carte son de felix. Je (kaelan) vais donc réaliser et perfectionner les mesures de l'intensité et de l'angle, pour avoir une idée de ce qui se passe lors d'une écholocalisation. J'ai donc réalisé des mesures d'angle et de déphasage correspondant, mais une première difficulté s'impose; lorsque le montage est symétrique, il y a un déphasage d'une demi période… Ce déphasage varie avec la distance; en effet, l'approximation sur les distances ne peut pas se faire, car la distance entre les deux micros est de 2.5 cm environ, et la distance a l'obstacle est de 30 cm, ce qui n'est pas vraiment négligeable. Je me dis que c'est aussi du au fait que puisque l'on travaille sur des fréquences assez hautes, le fait que les micros ne soient pas parfaitement alignés (décalés de 1mm et inclinés de peut etre 1° de différence) rajoute de l'incertitude.

Finalement, on suppose que ce sont des inteférences qui déforment les résultats; on passe de 10 à 0 μs en faisant varier l'angle entre l'obstacle et l'axe du dispositif de 0 à 7°… De plus, en voulant faire les mesures d'intensité, on se rend compte qu'on a ce qui semblerait etre des franges d'interférences; l'intensité décroit globalement si la distance augmente, mais avec des variations sinusoidales d'intensité autour d'une valeur moyenne, on a une sorte de sinus cardinal. J'hésite a quand meme mesurer ce qu'on a et exploiter les résultats du mieux qu'on peut, mais il faudrait réussir a générer un pic d'une faible durée, ce serait plus simple, ce a quoi Xiong s'attele mais c'est plus difficile qu'il ne le pensait.

On teste les micros en les alimentant selon le schéma de la semaine 7, et on a une réponse qualitative (une lumiere sur la carte son indique une réponse) mais lorsque l'on l'a branché sur l'ordinateur de Felix, on n'avait plus la meme chose. On recommence mardi (le matériel étant couteux, on ne veut pas le laisser dans la salle de TP, ce qui rend l'acces a la carte son difficile)

Michel et Felix ont réussi a faire fonctionner la carte son avec les micros; on peut a présent enregistrer le son venant d'un des micros avec l'ordinateur. (le son est toujours émis par GBF)

Michel et Felix ont dans un premier temps réussi a générer un “chirp” (variation de fréquence de 35 a 40 kHz) a partir de l'ordinateur. On utilise audacity pour visualiser le signal reçu. La carte son est finalement reçu par l'ordinateur de la salle de TP. Par ailleurs, on peut enregistrer puis lire le son reçu par un micro (il faudra le faire pour deux, mais cela ne nécessite qu'un montage symétrique) On a ainsi presque ce qu'il nous faut pour avoir la partie émission et réception de notre casque a ultrasons.

Cependant, nous avons plusieurs problèmes encore à régler;

- on peut émettre un son, mais pas l'enregistrer en temps réel.(problème dans le programme, on ne peut pas avoir un input et un output en même temps pour ce qui est du son (input: ce qu'on reçoit, output: ce qu'on reçoit). - Même si on pouvait, on arrive pas a définir deux sorties audio; une pour émettre l'ultrason, et une autre pour envoyer le son modulé en fréquence dans les écouteurs, pour l'utilisateur. - Lorsqu'on émet a partir de l'ordinateur, on a un signal d'environ 8V; et en réception le signal est de l'ordre de 50 mV, ce qui est remarquablement faible, comparé a ce qu'on a lorsque l'on prend 8V en entrée avec le GBF (avec la même fréquence). Cela vient peut être de la différence de signal entre le GBF et l'ordi, et peut être aussi de la réponse de oscilloscope, a creuser…

Il nous reste donc a résoudre ces problèmes qui sont principalement liés au code pour les deux premiers, donc a priori plus “soluble” que le dernier, qui nécessiterait peut être qu'on l'on amplifie le son envoyé par l'ordinateur avec un amplificateur.

L'idéal serait de pouvoir envoyer un signal, l'enregistrer, diviser sa fréquence, puis le renvoyer dans une autre sortie audio, tout cela en temps réel. Nous n'allons cependant pas miniaturiser le dispositif, donc pas produire de casque a ultrasons portable, mais un relié a un ordinateur+ circuit électronique, ce serait deja pas mal.

Pour ce qui est des interférences d'ondes que l'on observe, une mesure est prévue; de la on dégagera l'enveloppe de la courbe d'intensité, qui devrait correspondre a une courbe en $ {\dfrac{1}{r²}} $