Le « beamforming » expliqué simplement : voici comment fonctionne une caméra à ultrasons pour la détection des fuites

Le « beamforming » désigne la focalisation du faisceau. Dans le cas d’une caméra à ultrasons, l’analyse est orientée mathématiquement vers de nombreux points dans l’espace, sans qu’il soit nécessaire de déplacer mécaniquement les microphones ou la caméra. Pour chaque pixel, on calcule comment un signal sonore provenant de cette direction dans l’espace devrait arriver aux différents microphones. 

Il en résulte une carte acoustique : les points d'où proviennent les signaux des microphones de manière cohérente se voient attribuer un niveau plus élevé. Les points d'où proviennent des signaux qui ne concordent pas sont atténués. Le résultat est superposé à l'image de la caméra sous la forme d'une carte thermique en couleurs.

Un microphone isolé peut mesurer la pression acoustique, mais ne permet pas de déterminer avec certitude la direction d'où provient la source sonore. Un réseau de microphones utilise plusieurs microphones MEMS numériques ultrasensibles placés à des positions connues et calibrées géométriquement. L'UltraCam LD 500/510, de conception compacte, fonctionne avec 30 microphones ; la LeakCam 600 utilise quant à elle 64 microphones numériques.

La géométrie précisément connue du réseau de microphones constitue la base de l'analyse des différences de temps de propagation et de phase. La disposition spatiale, le nombre et la répartition des microphones influencent de manière déterminante la résolution directionnelle et, par conséquent, la précision de la localisation de la source sonore.

Beamforming standard : réseau de microphones, traitement du signal, filtrage et calcul de la carte acoustique.

Pour effectuer ce calcul, le système a besoin de conditions aux limites fixes : la distance focale ou la distance par rapport à l'objet, les angles d'ouverture horizontaux et verticaux, le champ de vision et la résolution acoustique souhaitée. Ces paramètres permettent de générer une grille de pixels acoustiques.

Le processeur calcule, pour chaque pixel de la carte ultrasonique, le trajet physique entre chaque microphone et ce point dans l'espace. Lorsqu'un signal sonore arrive, les signaux des microphones sont corrigés en fonction des différences de temps de propagation calculées. Dans l’approche classique « Delay-and-Sum », cette opération s’effectue dans le domaine temporel ; dans le « Power Beamforming » de la LeakCam, on travaille dans le domaine fréquentiel à l’aide de déphasages. Simultanément, le signal est filtré numériquement sur la fenêtre de fréquences cible sélectionnée.

Une fois la correction de temps de propagation ou de phase effectuée, les signaux de tous les canaux de microphone correspondant au pixel considéré sont additionnés. Si le son provient effectivement de cette direction, les signaux sont en phase les uns par rapport aux autres et s'amplifient de manière constructive. Si le son provient d'une autre direction, les signaux se superposent de manière inappropriée et s'annulent partiellement de manière destructive.

Interférence constructive : les signaux corrigés en phase s'additionnent et amplifient la source sonore réelle.	Interférence destructive : les bruits parasites provenant d’autres directions sont atténués par la sommation.

Pour un affichage fluide en temps réel, le système effectue le calcul d'images acoustiques à un rythme soutenu. Les données acoustiques sont superposées à l'image optique en direct sous la forme d'une carte thermique colorée. L'affichage guide l'utilisateur directement vers la position la plus probable de la source ultrasonore.

De l’image ultrasonore calculée à la carte thermique : la plage dynamique et le seuil déterminent les niveaux qui sont affichés.

L'affichage d'une caméra à ultrasons peut être comparé à celui d'une caméra thermique. Une caméra infrarouge mesure le rayonnement thermique et attribue des valeurs de température à chaque pixel de l'image. Une caméra à ultrasons mesure les niveaux de pression acoustique en fonction de la fréquence et attribue ces valeurs acoustiques à des directions spatiales ou à des pixels de l'image.

Dans les deux cas, l'utilisateur voit une image optique sur laquelle sont superposées des informations de couleur. Avec la caméra thermique, la couleur indique les différences de température. Avec la caméra à ultrasons, la couleur indique l'intensité de la source sonore calculée. La carte thermique n’est donc pas une photo de la fuite, mais une localisation acoustique qui est superposée à l’image vidéo.

Analogie : image optique de l'installation et image thermique ou acoustique en couleurs. En ultrasons, la couleur représente la pression acoustique, et non les différences de température.

La formation de faisceaux standard permet de bien localiser les sources sonores dominantes individuelles. Dans la pratique, cependant, il arrive souvent que plusieurs fuites ou sources de perturbation présentant des niveaux de pression acoustique différents se produisent simultanément. La dynamique d'un système détermine l'amplitude maximale de la différence de niveau pouvant être représentée entre la source sonore visible la plus forte et la plus faible.

Une dynamique élevée améliore la détection simultanée de fuites d'intensités sonores différentes. Une dynamique d'affichage faible permet de mettre davantage en évidence les sources faibles, mais réduit la plage de niveaux visible à l'écran.

Le Power Beamformer de la LeakCam 600 est conçu pour offrir une grande sélectivité spatiale et permettre la visualisation simultanée de plusieurs sources sonores. Ainsi, même les fuites les plus faibles restent visibles à côté des sources sonores dominantes et peuvent être localisées plus facilement.

Comparaison tirée du webinaire : le « Power Beamforming » permet de visualiser plusieurs fuites plus clairement que le « Beamforming » standard.