Imaginez un microphone qui écoute avec la lumière plutôt qu'avec le son. Ce n'est plus de la science-fiction.
Des chercheurs ont mis au point un système de détection basé sur un microphone visuel à faible coût. Contrairement aux microphones traditionnels, cette innovation capte les infimes vibrations à la surface des objets, celles provoquées par les ondes sonores, et les transforme en signaux audibles. "Notre méthode simplifie et réduit le coût de l'utilisation de la lumière pour capter le son, tout en permettant des applications dans des scénarios où les microphones traditionnels sont inefficaces, comme converser à travers une fenêtre en verre", explique Xu-Ri Yao, chef de l'équipe de recherche au Beijing Institute of Technology en Chine.
Sa vision est la suivante : "Tant qu'il y a un moyen pour la lumière de passer, la transmission du son n'est pas nécessaire." Cette nouvelle approche, décrite dans la revue Optics Express, applique pour la première fois l'imagerie à pixel unique à la détection sonore. Grâce à une configuration optique sans composants coûteux, les chercheurs ont démontré que la technique peut récupérer le son en utilisant les vibrations sur les surfaces d'objets du quotidien, comme des feuilles ou des morceaux de papier.
Comment fonctionne ce microphone "invisible" ?
Jusqu'à présent, les méthodes de détection du son par la lumière exigeaient des équipements optiques sophistiqués, tels que des lasers ou des caméras à haute vitesse. Elles nécessitaient aussi des surfaces spécifiques, comme des miroirs ou des "rétro-réflecteurs", qui renvoient la lumière avec une dispersion minimale.
La nouvelle approche, plus simple et moins onéreuse, repose sur une méthode d'imagerie computationnelle connue sous le nom d'"imagerie à pixel unique". Cette technique capture des images en utilisant un seul détecteur de lumière – un pixel – au lieu des millions de capteurs d'une caméra traditionnelle.
Au lieu d'enregistrer une image d'un coup, la lumière de la scène est modulée à l'aide de motifs structurés variant dans le temps par un modulateur de lumière spatiale. Le détecteur à pixel unique mesure ensuite la quantité de lumière modulée pour chaque motif.
Un ordinateur utilise alors ces mesures pour reconstruire l'information sur l'objet. Pour l'appliquer à la détection sonore, l'équipe de Yao a utilisé un modulateur de lumière spatiale à haute vitesse pour encoder la lumière réfléchie par la surface vibrante. Le mouvement induit par le son provoque de subtils changements d'intensité lumineuse, capturés par le détecteur à pixel unique et décodés en son audible.
Ils ont utilisé des méthodes de localisation basées sur la transformée de Fourier pour suivre les vibrations des objets, permettant une mesure précise des variations minimes. "Combiner l'imagerie à pixel unique avec les méthodes de localisation basées sur Fourier nous a permis d'atteindre une détection sonore de haute qualité avec un équipement plus simple et à moindre coût", précise Yao. "Notre système permet la détection sonore en utilisant des objets du quotidien comme des cartes en papier et des feuilles, dans des conditions d'éclairage naturel, et ne nécessite pas que la surface vibrante réfléchisse la lumière d'une certaine manière."
Un avantage supplémentaire de l'utilisation d'un détecteur à pixel unique est le faible volume de données générées, facilitant le téléchargement ou le téléversement en temps réel pour un enregistrement sonore prolongé.
Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?
Cette technologie innovante pourrait avoir le potentiel de révolutionner notre façon d'enregistrer et de contrôler le son, créant ainsi de nouvelles possibilités dans plusieurs secteurs.
On évoque particulièrement la surveillance de l'environnement, la sécurité ou le diagnostic industriel. Par exemple, cela pourrait permettre d'engager une conversation avec un individu enfermé dans un espace confiné, tel qu'une pièce ou un véhicule où les microphones classiques se montrent inefficaces. Ce nouveau microphone visuel a montré sa capacité à reconstituer des signaux audio clairs et compréhensibles, comme l'ont prouvé les chercheurs. On imagine également logiquement un usage dans le cadre de missions d'espionnage.
Les chercheurs ont évalué sa compétence à reproduire la prononciation des chiffres en chinois et en anglais, de même qu'un passage de « La Lettre à Elise » de Beethoven. Des feuilles et des cartes en papier ont été utilisées comme cibles vibrantes, positionnées à 0,5 mètre d'un haut-parleur diffusant le son. Le système a réussi à générer un son précis et intelligible, la représentation papier fournissant de meilleurs rendements que la feuille. Les sons de basse fréquence (<1 khz) ont été capturés avec une grande précision, tandis que les sons de haute fréquence (>1 kHz) présentaient une distorsion mineure qui a été améliorée grâce à l'utilisation d'un filtre de traitement du signal.
Les essais de vitesse de transmission de données ont démontré une production de 4 Mo/s, un niveau assez bas pour réduire les besoins en espace de stockage et faciliter une sauvegarde à long terme.
À ce stade, cette technologie est confinée aux laboratoires et réservée à des situations spécifiques où les microphones traditionnels ne parviennent pas à donner satisfaction. L'objectif de l'équipe est d'élargir le système à diverses applications de mesure des vibrations, y compris la détection du pouls humain et du rythme cardiaque, en exploitant ses aptitudes à la détection multifonctionnelle. Ils s'efforcent aussi d'améliorer la sensibilité et l'exactitude du système, tout en le rendant assez portable pour un usage pratique au quotidien. Un but essentiel est également d'élargir sa portée effective afin de rendre possible une détection sonore fiable sur de longues distances. Les perspectives d'applications futures sont larges et prometteuses.
Foire Aux Questions (FAQ)
Comment ce microphone visuel capte-t-il le son ?
Il capte les micro-vibrations des surfaces d'objets, causées par les ondes sonores, en utilisant la lumière et une technique d'imagerie à pixel unique, puis les convertit en signaux audio.
Cette technologie est-elle déjà disponible pour le grand public ?
Non, pour l'instant, cette technologie existe uniquement en laboratoire et est destinée à des scénarios spécifiques où les microphones traditionnels ne peuvent pas fonctionner.
Quels sont les avantages de ce type de microphone ?
Ses avantages incluent un faible coût, une simplicité de configuration, la capacité de capter le son à travers des obstacles (comme une vitre), et un faible volume de données générées, permettant un enregistrement prolongé.
