Mini-projet de Filtrage RCAO

MINI-PROJET -
CONCEPTION D’UN FILTRE ACTIF
INTEGRE A UN APPAREIL AUDITIF
Introduction
On estime à 1 million le nombre de malentendants en Belgique. Parmi les solutions
qui leur sont offertes on trouve les aides auditives. Celles-ci jouent le rôle
d’amplificateur sélectif en fréquence et corrigent ainsi dans une certaine mesure les
déficiences de l’audition. La technologie actuelle a bordé un virage numérique depuis
plusieurs années, mais les amplis analogiques sont toujours vendus.
Le but de ce mini-projet sera de concevoir un tel amplificateur sélectif analogique et
d’en proposer la synthèse en technologie RCAO.
1 . Troubles de l’audition
L’audition met en jeu deux organes principaux : l’oreille en tant que récepteur et le
cerveau en tant qu’interprète des sons.
Organe complexe, l’oreille comprend trois parties : l'oreille externe, l'oreille moyenne
et l'oreille interne (Figure 1).
Figure 1: Oreille externe-moyenne-interne.

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Chaque partie joue un rôle particulier dans le processus qui transforme les ondes
sonores en impulsions nerveuses transmises au cerveau.
 L'oreille externe focalise le son dans le conduit auditif et représente une
protection physique pour le reste de l'oreille ;
 L'oreille moyenne ou "caisse du tympan" est une petite cavité creusée dans l'os
temporal. Cette cavité est recouverte d'une muqueuse et contient trois petits os
: le marteau, l'enclume et l'étrier.
La membrane du tympan sépare l'oreille moyenne du conduit auditif externe.
Elle joue le rôle d'intermédiaire dans le traitement de l'onde sonore et est
responsable de l'augmentation de l'intensité des ondes sonores qui arrivent et
les transforme en vibrations mécaniques qui peuvent aisément se transmettre à
l'oreille interne.
Les trois osselets jouent le rôle d’adaptateur d’impédance, permettant ainsi à la
source (air vibrant à l’entrée de l’oreille externe : à faible pression AC 
mouvements AC importants) de s’adapter à la charge (oreille interne : à forte
pression  mouvements AC faibles), sans trop de perte de puissance, ce qui
permet ainsi à un maximum de puissance de la source d’être captée par l’oreille
interne.
 L'oreille interne comprend la cochlée ou limaçon (Figure 2). Remplie de liquide,
la cochlée comprend environ 15 000 cellules ciliées réceptrices, qui reçoivent et
transmettent les vibrations mécaniques au cerveau. Ces vibrations des cils sont
converties en influx nerveux. Ces cellules ne se renouvellent pas et leur perte
est irrémédiable.
Figure 2: Cochlée (source : http://www.cochlee.org/)
Un trouble de l’audition peut typiquement être le résultat de trois facteurs :
 Absorption de substances dites ottotoxiques (tels certains antibiotiques)
 Vieillissement
 Exposition à des sons trop intenses.
Dans tous les cas, la perte d’audition est variable en fréquence et change d’un
individu à l’autre.
1
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Consulter à ce sujet : http://www.iurc.montp.inserm.fr/cric/audition

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2 . Appareil auditif analogique
Si l’on considère que l’oreille joue le rôle d’un filtre, dont la fonction de transfert (pour
un sujet normal) est N(j ), et que celle d’un patient est P(j ), la fonction de transfert
du filtre amplificateur-correcteur est donnée par : H(j )= N(j )/ P(j )
Seul problème : il est évidemment impossible de mesurer les fonctions P(j ) ou N(j ).
En pratique, pour mesurer l’audition d’un patient, on lui fait entendre une série de
sons à diverses fréquences. Pour chaque fréquence, on augmente graduellement
l’intensité sonore jusqu’à ce que le patient indique qu’il perçoit le son. Ce niveau
minimal d’audition est appelée seuil de l’audition, et le graphe correspondant se
nomme audiomètre.
Si l’on appelle Ns(j ) la courbe du seuil de l’audition d’un sujet sain et Ps(j ) celle d’un
patient (client), la fonction de transfert du filtre amplificateur-correcteur est cette fois
donnée par : H(j )= Ps(j )/ Ns(j ) (Figure 3).
Figure 3: Audiogrammes et fonction de transfert idéale du filtre correcteur
(source: http://www.engr.uky.edu/~gedney/courses/ee221/).
3 . L’avenir : les implants cochléaires
Depuis quelques années, les prothèses auditives ont franchi une étape supplémentaire
grâce aux implants cochléaires qui se branchent directement sur la cochlée, suppléant
ainsi les cellules ciliées déficientes. Le signal envoyé sur le nerf auditif est alors
composé d’impulsions, qui codent l’enveloppe de signaux issus d’un filtrage en sous-
bandes. La Belgique est particulièrement active dans ce domaine, notamment autour
du centre de recherches IMEC (Leuven).

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Figure 4: Principe de fonctionnement d’un implant cochléaire
(source : http://www.ccl.kuleuven.ac.be/Courses/LEA/lea_AvW2.pdf)
Figure 5: Filtrage en sous bandes et transformation en signaux impulsionnels
(source : http://www.ccl.kuleuven.ac.be/Courses/LEA/lea_AvW2.pdf)

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4 . Conception de l’amplificateur correcteur
Il s’agit maintenant de réaliser l’approximation et la synthèse du filtre amplificateur-
correcteur correspondant à un patient pris au hasard (Figure 6).
Pour cela, nous allons concevoir un filtre passe-bande actif dont la fonction de
transfert approche au mieux le profil d'amplification nécessaire à l'audition du patient
considéré (Figure 6 - fonction de transfert idéale). Nous nous limiterons néanmoins à
un ordre maximum de 6 pour ne pas rendre cette conception trop fastidieuse.
La technologie utilisée pour approximer et synthétiser ce filtre sera la mise en cascade
de cellules du second degré, de type RCAO
2
.
101102103104105
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Hz
dB
Figure 6: Fonction de transfert idéale pour le patient choisi.
1. Utiliser la réponse idéale pour vous définir des spécifications (en pulsations
réelles) du filtre passe-bande considéré.
2
On pourrait également procéder tout à fait autrement : par mise en parallèle de sections du second
degré dont on règlerait directement les fréquences de cassure et les facteurs de qualité de façon que la
somme (complexe) de leurs réponses en fréquence approche la fonction de transfert voulue. Ceci fait
cependant intervenir une approximation numérique, non vue au cours.