WO2004002194A1 - Dispositif de reproduction stereophonique dans un vehicule et vehicule ainsi equipe - Google Patents

Dispositif de reproduction stereophonique dans un vehicule et vehicule ainsi equipe Download PDF

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    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/13—Acoustic transducers and sound field adaptation in vehicles

Definitions

  • the sounds which come from the loudspeaker closest to the listener are on the one hand the components of the sound image situated on the side of the sound stage corresponding to this loudspeaker which is normal, but in in addition, those which should be located in the middle of the sound stage, which is not at all. Only the components of the sound stage located on the opposite side are (at least on installations of a certain quality), correctly perceived coming from the zone of the most distant loudspeaker.
  • the problem is therefore to correctly reproduce the sounds located in the center of the soundstage whose character is essentially monophonic.
  • the center of the sound image is located opposite the listeners.
  • the disadvantage of the first two solutions is that they require at least the installation of an additional speaker.
  • the third solution which recommends the installation of the speakers under the listeners does not solve the problem of existing vehicles, and is not always feasible.
  • the first which was the subject of a French patent application N ° 2.599.581 consists in installing a loudspeaker in the central position and in making it reproduce one of the stereophonic channels, the other channel being reproduced by the outdoor speakers.
  • the second most used is to delay the signal of one of the channels by a fraction of a second equal to the time taken by the sound to travel the difference in distance between the listener and the two right and left speakers.
  • the present invention proposes to obtain a correct sound image from conventional speaker locations. It has the advantage of not requiring any additional loudspeaker, and of performing either a symmetrical correction or an asymmetrical correction depending on the desired result.
  • Figure 1 shows the behavior of the configuration of the original speakers located at the rear of a Renault Clio o vehicle, the microphone being placed at the head of one of the rear passengers.
  • the solid line curve corresponds to the loudspeaker reading in phase and the dotted curve corresponds to the out of phase reading. There is a phase conflict over two octaves between 250 and 1000 Hz.
  • the idea of the invention is that by causing electrical phase inversions between the channels in the frequency bands where the acoustic phase conflicts occur, the consistency of the phases between the channels must be restored. structure of the sound image.
  • the invention firstly proposes a method of stereophonic broadcasting in a vehicle using means for restoring a sound modulation of a basic signal.
  • a general characteristic of the invention local inversions of phases between the channels are carried out by appropriate means, in the zones of the sound spectrum where acoustic phase conflicts are detected between the right and left channels at the listening locations.
  • the subject of the invention is also a vehicle equipped with an audiofrequency stereophonic device, comprising a basic signal source, and means for restoring the sound modulation corresponding to the basic signal.
  • the audiofrequency stereophonic device comprises at least one means making it possible to reverse the phase on one of the channels on a portion of the sound spectrum corresponding to an acoustic phase conflict between the right and left channels at listening places.
  • FIG. 2 illustrates a stereophonic broadcasting method in accordance with the invention comprising a modulation source 1, a signal processing device 2 comprising a means of local phase reversal, a power amplifier 3 and means forming loudspeakers 4 and 5.
  • FIG. 3 illustrates a nonlimiting example of embodiment of a local phase reversal.
  • This example uses the property of second order complementary high-pass and low-pass Sallen-Key filters to be in phase opposition at the crossover frequency, so that, to reconstruct the entire audio spectrum in one all-pass filter, the phase of the bandpass part should be reversed, which is exactly what we want to do.
  • the frequencies Fb and Fh are the start and end frequencies of a phase conflict zone.
  • the filter 1 is a high-pass filter tuned to the frequency Fb.
  • Filter 2 is a low-pass filter tuned to the frequency Fh.
  • Fb and Fh the filter 1
  • Fb and Fh the filter 2
  • Fh the filter 2
  • Filter 3 is the low-pass filter complementary to filter 1 and filter 4 is the high-pass filter complementary to filter 2.
  • the inlet of filter 4 is taken at the outlet of filter 1 to be in phase with the inlet of the filter 2.
  • the outputs of filters 2 and 4 are injected at the positive input of the amplifier 5.
  • the resistances of the summator-subtractor 5 are calculated to obtain the same gain in absolute value for the high-pass filters, low and band pass.
  • FIG. 4 is the reproduction of an oscillogram representing a burst of sinusoidal signal at a frequency situated between Fb and Fh. This figure comprises two curves, one in solid line is the input signal, the other in dotted line is the output signal of the inverter all-pass filter of FIG. 3.
  • the result is comparable to that obtained by delaying the signal of a channel over the entire band of the audio spectrum according to a method mentioned above.
  • FIG. 5 An exemplary embodiment of such a device is illustrated in FIG. 5. It uses the property of third-order Sallen-Key complementary filters to be in phase at the coupling frequency.
  • the device of FIG. 5 is identical to that of FIG. 3 with the exception of the filters which are of order 3 instead of being of order 2 and of the operational amplifier 5 of output mounted as a simple summator, because there is no signal to reverse.
  • FIG. 6 is the oscillogram which represents the behavior of the recomposed signal at the output of the all-pass filter produced with the Sallen-Key filters of order 3.
  • FIG. 7 is the oscillogram which represents the signals of the left and right channels processed respectively by the all-pass filters of FIGS. 3 and 5.
  • the two signals are clearly in phase opposition but without time offset, which provides the system with the desired symmetry.

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Abstract

Dispositif de reproduction sonore stéréophonique dans un véhicule comportant un moyen permettant d’inverser la phase sur l’un des canaux sur une portion du spectre sonore correspondant à un conflit acoustique entre les canaux droits et gauches aux endroits d’écoute.

Description

Dispositif de reproduction sonore stéréophonique dans un véhicule et véhicule ainsi équipé.
La présente invention est destinée à améliorer la reproduction sonore en stéréophonie dans le cas ou les auditeurs ne sont pas situés à égale distance des haut-parleurs gauche et droit, et principalement dans les véhicules automobiles .
En effet, dans une automobile classique, les emplacements respectifs des sièges et des haut-parleurs font que l'auditeur n'est jamais situé à égale distance des haut-parleurs gauche et droit sauf s'il s'installe au milieu de la banquette arrière.
Ainsi, la reproduction stéréophonique qui impose que l'auditeur soit situé à égale distance des deux enceintes droite et gauche est donc théoriquement impossible en voiture, aux places couramment utilisées.
La théorie est d'ailleurs largement confirmée par l'expérience car, en voiture"/ le son paraît le plus souvent provenir du haut-parleur le plus proche de l'auditeur.
Plus précisément, les sons qui proviennent du haut-parleur le plus proche de l'auditeur sont d'une part les composants de l'image sonore situés du coté de la scène sonore correspondant à ce haut-parleur ce qui est normal, mais en outre, ceux qui devraient être situés au milieu de la scène sonore, ce qui ne l'est pas du tout. Seuls les composants de la scène sonore situés du coté opposé sont (du moins sur des installations d'une certaine qualité) , correctement perçus en provenance de la zone du haut- parleur le plus éloigné .
Le problème est donc de reproduire correctement les sons situés au centre de la scène sonore dont le caractère est essentiellement monophonique.
En Hi-Fi automobile, la reproduction stéréophonique est jugée correcte lorsque le centre de l'image sonore est situé entre l'axe de symétrie du véhicule et l'axe du fauteuil du conducteur . Lorsque le véhicule possède un écran vidéo au milieu du tableau de bord, il est préférable que le centre de l'image sonore semble provenir de l'écran.
Lorsque le véhicule possède des écrans vidéo incorporés aux sièges avants et destinés aux passagers arrières, il est préférable qu'à l'arrière du véhicule, le centre de l'image sonore soit situé face aux auditeurs.
Lorsque le véhicule ne possède pas d'écran vidéo, deux positions sont théoriquement défendables, soit en face de l'auditeur soit dans l'axe de symétrie du véhicule. Dans la pratique, un positionnement intermédiaire est un bon compromis .
Afin d'améliorer la qualité de l'image sonore produite par les configurations classiques, plusieurs solutions ont été proposées qui peuvent se classer en deux grandes catégories : d'une part les solutions symétriques qui mettent le conducteur et le passager sur un pied d'égalité et d'autre part les solutions asymétriques qui privilégient un auditeur (en général le conducteur) par rapport à l'autre.
Les solutions symétriques connues sont principalement au nombre de trois :
- l'installation d'un haut-parleur de voie centrale reproduisant la somme des canaux droit et gauche
-la configuration bi-stéréo qui a fait l'objet de la demande de brevet français N° 2 495 883 - la configuration SeatBox qui a fait l'objet de la demande de brevet français N° 2 808 407
L'inconvénient des deux premières solutions est qu'elles requièrent au minimum l'installation d'un haut-parleur supplémentaire . La troisième solution qui préconise l'installation des haut-parleurs sous les auditeurs ne règle pas le problème des véhicules existants, et n'est pas toujours réalisable. Les solutions asymétriques connues sont au nombre de deux. La première qui a fait l'objet d'une demande de brevet français N° 2.599.581 consiste à installer un haut-parleur en position centrale et à lui faire reproduire l'un des canaux stéréophoniques, l'autre canal étant reproduit par les haut- parleurs extérieurs.
Cette solution est asymétrique car la stéréophonie est obligatoirement inversée pour un des deux auditeurs. Son principal inconvénient est de requérir un haut-parleur supplémentaire .
La seconde qui est la plus employée consiste à retarder le signal d'un des canaux d'une fraction de seconde égale au temps mis par le son pour parcourir la différence de distance entre l'auditeur et les deux haut-parleurs droit et gauche.
Cette solution a pour conséquence d'éloigner virtuellement le haut-parleur correspondant au canal retardé et ainsi de placer l'auditeur au centre de cette configuration virtuelle. Cette solution donne le plus souvent un bon résultat pour l'auditeur proche du canal retardé car le centre de l'image sonore se retrouve pour lui proche de l'axe de symétrie du véhicule mais ce résultat s'obtient au détriment de l'autre auditeur qui voit le haut-parleur le plus éloigné s ' éloigner encore plus...
La présente invention se propose d'obtenir une image sonore correcte à partir d'emplacements de haut-parleurs conventionnels. Elle a l'avantage de ne requérir aucun haut- parleur supplémentaire, et d'effectuer soit une correction symétrique, soit une correction asymétrique en fonction du résultat recherché.
En outre, elle agit par un traitement du signal qui peut être effectué par un DSP déjà affecté à d'autres tâches, c'est à dire que son coût industriel peut être très faible, voir nul. II est couramment admis que dans un véhicule, si le son paraît le plus souvent provenir uniquement du haut-parleur le plus proche de l'auditeur, c'est que le haut-parleur le plus proche est forcement celui qu'on entend le mieux. En réalité, les choses ne sont pas si simples. En effet, lorsqu'on0 retarde le signal d'un canal selon une méthode que l'on a évoqué plus haut, le centre de la scène sonore vient, pour l'auditeur le plus proche du canal retardé, se placer dans une position proche de l'axe de symétrie du véhicule, et sans pour cela avoir à modifier le réglage de balance.
Ce n'est donc pas, contrairement à ce qu'il est couramment admis, le niveau du signal parvenant à l'auditeur qui rend omniprésent le haut-parleur qui lui est le plus proche. Et, une écoute attentive a permis d'assimiler le phénomène à une écoute stéréophonique en phase inversée.
En effet, lorsqu'on inverse la phase d'un des canaux dans une installation stéréophonique domestique, l'image sonore est détruite et le son est focalisé sur les haut-parleurs. Et, lorsqu'on s'écarte latéralement de la position normale d'écoute, le son a tendance, sur les modulations à caractère monophonique, à se focaliser sur le haut-parleur le plus proche.
D'où la supposition que dans un véhicule, il se produisait aux endroits d'écoute, d'importants phénomènes de conflit de phase acoustique produisant un effet similaire à celui de l'inversion de phase électrique.
En effet, ces conflits existent et ils peuvent être mis en évidence par des moyens relativement simples . Il suffit pour cela de faire deux relevés de courbes de réponse. Le premier avec les deux haut-parleurs en phase et le second avec les deux haut-parleurs hors phase. Il y a suspicion légitime de conflit de phase lorsque le niveau de la courbe hors phase dépasse celui de la courbe en phase.
La figure 1 reproduit le comportement de la configuration des haut-parleurs d'origine situés à l'arrière d'un véhicule o Renault Clio, le micro étant placé au niveau de la tête de l'un des passagers arrières . La courbe en trait plein correspond au relevé des haut- parleurs en phase et la courbe en pointillés correspond au relevé hors phase. On constate un conflit de phase sur deux octaves entre 250 et 1000 Hz.
Ces courbes mettent clairement en évidence l'existence de phénomènes acoustiques complexes qui engendrent des conflits de phase bien plus importants que les conflits de phase théoriques engendrés par la seule différence de distance entre les haut- parleurs et les auditeurs .
L'idée de l'invention est qu'en provoquant des inversions électriques de phase entre les canaux dans les bandes de fréquences où se produisent les conflits de phase acoustiques, on doit rétablir la cohérence des phases entre les canaux et par-là même la structure de l'image sonore.
L'invention propose tout d'abord un procédé de diffusion stéréophonique dans un véhicule à l'aide de moyens de restitution d'une modulation sonore d'un signal de base. Selon une caractéristique générale de l'invention, on effectue par des moyens appropriés, des inversions locales de phases entre les canaux, dans les zones du spectre sonore où sont détectés les conflits de phase acoustiques entre les canaux droits et gauches aux endroits d'écoute. L'invention a également pour objet un véhicule équipé d'un dispositif stéréophonique audiofréquence, comportant une source de signal de base, et des moyens de restitution de la modulation sonore correspondant au signal de base.
Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif stéréophonique audiofréquence comporte au moins un moyen permettant d'inverser la phase sur l'un des canaux sur une portion du spectre sonore correspondant à un conflit de phase acoustique entre les canaux droits et gauches aux endroits d'écoute. La figure 2 illustre un procédé de diffusion stéréophonique conforme à 1 ' invention comportant une source de modulation 1 , un dispositif de traitement du signal 2 comportant un moyen d'inversion locale de phase, un amplificateur de puissance 3 et des moyens formant haut-parleurs 4 et 5. La figure 3 illustre un exemple non limitatif de réalisation d'une d'inversion locale de phase.
Cet exemple, utilise la propriété des filtres de Sallen-Key passe-haut et passe-bas complémentaires du second ordre d'être en opposition de phase à la fréquence de raccord, de sorte que, pour reconstituer l'ensemble du spectre audio en un filtre passe-tout, il convient d'inverser la phase de la partie passe- bande, ce qui est exactement ce que nous souhaitons faire.
Supposons que nous souhaitions inverser la phase d'un canal entre une fréquence basse Fb et une fréquence haute Fh. Les fréquences Fb et Fh sont les fréquences de début et de fin d'une zone de conflit de phase.
Dans cet exemple, illustré par la figure 3, le filtre 1 est un filtre passe-haut accordé sur la fréquence Fb. Le filtre 2 est un filtre passe-bas accordé sur la fréquence Fh. A la sortie du filtre 2, nous avons donc un filtre passe- bande entre les fréquences Fb et Fh dont nous inversons la phase en l'injectant à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 5 monté en sommateur-soustracteur .
Le filtre 3 est le filtre passe-bas complémentaire du filtre 1 et le filtre 4 est le filtre passe-haut complémentaire du filtre 2. L'entée du filtre 4 est prélevée à la sortie du filtre 1 pour être en phase avec l'entrée du filtre 2. Les sorties des filtres 2 et 4 sont injectées à l'entrée positive de l'amplificateur 5. Les résistances du sommateur-soustracteur 5 sont calculées pour obtenir le même gain en valeur absolue pour les filtres passe-haut, passe-bas et passe-bande.
A la sortie du sommateur soustracteur 5 nous avons bien un filtre passe tout dont la phase est inversée entre les fréquences Fb et Fh. La figure 4 est la reproduction d'un- oscillogramme représentant une salve de signal sinusoïdal à une fréquence située entre Fb et Fh. Cette figure comporte deux courbes, l'une en trait plein est le signal d'entrée, l'autre en trait pointillé est le signal de sortie du filtre passe-tout inverseur de la figure 3.
La comparaison de ces deux courbes met clairement en évidence que l'inversion de phase se fait par glissement de phase de 180°. IL s'agit d'une inversion de phase assimilable à un retard par rapport à l'autre canal.
Lorsqu'on introduit ce filtre passe-tout dans un canal en laissant l'autre inchangé, on constate aux deux positions d'écoute une disparition de l'impression de hors phase dans cette zone du spectre sonore, une amélioration des timbres, et, l'image sonore est corrigée dissymétriquement en avantageant la position d'écoute située du coté du filtre passe-tout.
Le résultat est comparable à celui que l'on obtient en retardant le signal d'un canal sur toute la bande du spectre audio selon une méthode citée plus haut.
Pour obtenir une correction symétrique, nous allons réaliser sur l'autre canal dans la zone de fréquence considérée, le même glissement de 180° mais sans inversion de phase. Un exemple de réalisation d'un tel dispositif est illustré par la figure 5. Il utilise la propriété des filtres complémentaires de Sallen-Key du troisième ordre d'être en phase à la fréquence de raccord.
Le dispositif de la figure 5 est identique à celui de la figure 3 à l'exception des filtres qui sont d'ordre 3 au lieu d'être d'ordre 2 et de l'amplificateur opérationnel 5 de sortie monté en sommateur simple , car il n'y a pas de signal à inverser.
A la sortie du sommateur 5 nous avons bien un filtre passe tout sans inversion de phase entre les fréquences Fb et Fh. La figure 6 est l'oscillogramme qui représente le comportement du signal recomposé à la sortie du filtre passe- tout réalisé avec les filtres de Sallen-Key d'ordre 3.
La courbe pleine représente une salve de signal sinusoïdal à une fréquence située entre Fb et Fh à l'entrée du filtre et la courbe en pointillé représente le signal à la sortie du filtre. On constate bien un retard sans changement de phase. La figure 7 est l'oscillogramme qui représente les signaux des canaux gauches et droits traités respectivement par les filtres passe-tout des figures 3 et 5.
Les deux signaux sont nettement en opposition de phase mais sans décalage temporel, ce qui assure au système la symétrie recherchée.
A l'écoute du système équipé des deux filtres passe-tout, on constate aux deux positions d'écoute une disparition de l'impression de hors phase et une amélioration des timbres, et, le centre de 1 ' image sonore à tendance à se rapprocher de 1 ' axe de symétrie du véhicule pour les deux positions d'écoute.
Toutefois, dans certaines configurations défavorables, lorsque les haut-parleurs sont très mal positionnés, l'action du dispositif symétrique peut être décevante. Dans ce cas, on pourra préférer utiliser la correction asymétrique notamment si le conducteur est seul dans sa voiture.
Le passage de l'une à l'autre de ces options pourra se faire par simple escamotage du filtre retardateur non inverseur.

Claims

-CI-
REVENDICATIONS
1- Dispositif de diffusion de messages sonores stéréophoniques dans un véhicule du type comportant au moins une source de modulation, des moyens de traitement du signal, un amplificateur de puissance et deux moyens formant haut-parleurs , caractérisé par le fait que les moyens de traitement du signal sont agencés pour permettre une inversion électrique des phases entre les canaux droit et gauche dans des zones de fréquences où sont détectées des oppositions acoustiques de phase entre ces canaux aux endroits d'écoute.
2- Dispositif de diffusion de messages sonores stéréophoniques dans un véhicule selon la revendication 1 et caractérisé par le fait que l'inversion de phase est réalisée sans glissement de phase relatif entre les canaux.
3- Dispositif de diffusion de messages sonores stéréophoniques dans un véhicule selon la revendication 1 et caractérisé par le fait que l'inversion de phase est réalisée avec glissement de phase relatif entre les canaux.
4- Véhicule équipé d'un dispositif audiofréquence stéréophonique comportant une source de signal de base, et des moyens de restitution d'une modulation sonore correspondant au signal de base et caractérisé par le fait que les moyens de restitution comportent au moins un inverseur de phase dans une bande de fréquence où sont présentes des oppositions acoustiques de phase entre les canaux droits et gauches aux endroits d'écoute.
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