WO2016071586A1 - Nouveau procédé d'amélioration de la restitution des modulations stéréophoniques en automobile - Google Patents

Nouveau procédé d'amélioration de la restitution des modulations stéréophoniques en automobile Download PDF

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Definitions

  • a stereo modulation is composed of two electrical signals called left and right channels for supplying two speakers through two power amplifiers.
  • the stereophonic process makes it possible to obtain a continuous and homogeneous sound image from two loudspeakers provided that the listener is located at an equal distance from these two loudspeakers.
  • the sound stage the set of points in the space from which sound and sound image seem to originate the distribution of sound objects within the sound stage.
  • the center of the sound image must be reproduced in the center of the sound stage.
  • the difference in distance between speakers and listeners unbalances the sound stage and deteriorates the sound image. ' The center of the sound image is no longer at the center of the sound stage but near the nearest loudspeaker.
  • the present invention is a monostereophonic type technique. Our tests consisted in improving the refund for the driver sitting at the front left of the car.
  • stereo phase is used to denote the electrical phase difference between the left and right channels
  • acoustic stereo phase the acoustic phase difference between the left and right channels at the listening point.
  • phase distortion the acoustic stereophonic phase will be called when the acoustic stereophonic phase is zero, ie when the two channels are in phase.
  • phase distortion In free field, when the listener is equidistant from the left and right speakers, the phase distortion is zero.
  • the uncorrelated isobaric mode in which the level of the channels is identical but their phase is not correlated.
  • a modulation generating a chorus evenly distributed across the entire width of the sound stage is in uncorrelated isobar mode.
  • the correlated isobar mode in which the two channels are in phase and of identical levels, ie they deliver the same signal
  • a modulation generating a singer alone in the middle of the sound image is in correlated isobar mode.
  • the center of the sound image is generated by the two speakers broadcasting the same signal.
  • the center of the sound image is not in the same position at all frequencies and therefore the center of the sound image is poorly correlated.
  • isobaric mode correlated the center of the sound image is not at the center of the sound stage and moreover it is poorly correlated.
  • the classical technique for mono-stereo consists first of all in adjusting the level balance between the channels so that the favored listener perceives the two ends of the sound scene in the uncorrelated isobar mode with the same intensity, then, in a second time delaying the signal supplying the speaker closest to the listener to create an interaural delay causing the displacement of the center of the sound image towards the farthest speaker.
  • This technique makes it possible to position the center of the sound image in the center of the sound stage, but it has the disadvantage of not controlling the acoustic stereo phase resulting in a phase distortion resulting in a lack of correlation of the center of the image. sound.
  • This process makes it possible to obtain the center of the sound image at the center of the sound stage with good correlation but at the cost of a double manipulation of the phase and of the stereophonic mtrice.
  • the present invention is a method for obtaining more simply the center of the sound image at the center of the sound scene with a good correlation.
  • the method according to the present invention consists as in the conventional method in a first step to adjust the level balance between the two channels so that the favored listener perceives in uncorrelated isobar mode the two ends of the sound stage with the same intensity then in a second step to delay the signal of the nearest loudspeaker in order to obtain an interaural delay which positions the center of the sound image in the desired position, the innovation consisting in a third step in canceling the residual phase distortion .
  • phase distortion is perceptible to the human ear up to about 1500 Hz. In our tests, we canceled the phase distortion in the 30 Hz - 1600 Hz band.
  • the value of the phase correction to be applied to the left channel to cancel the phase distortion at a given frequency is the zero complement of the phase distortion as defined above.
  • SPECTRALAB provided us with the phase difference for each third octave between 30 Hz and 1600 Hz that we reported in EXCEL. Then we introduced the pink noise at the input of the amplifier feeding the right speaker and SPECTRALAB provided us with the phase difference [ç3 ⁇ 4 - ⁇ ? 1 ⁇ 2] c for each third octave band between 30 Hz and 1600 Hz that we reported in EXCEL.
  • the curve of Figure 1 is the original phase distortion at the left listening point [ ⁇ PG ⁇ ⁇ PD] I G in our test vehicle.
  • the curve of Figure 2 is the residual phase distortion in the same vehicle after applying a delay of 1.31 ms on the left channel. There is some improvement but the residual phase distortion is still very important.
  • the curve of Figure 3 is the residual phase distortion after application of the phase distortion cancellation procedure.
  • the present invention can be declined in several forms.
  • the method according to the present invention is pure signal processing without modification of the installation in the car, the desired result can be obtained with a conventional installation by modifying the audio file.
  • Cool Edit Pro the modification of the audio file according to the present invention is done in 3 steps.
  • This software would seek the setting of the modification on a server by indicating the model of the vehicle and its audio equipment.
  • One variant would be that an online music sales site like ITUNE enriches its offer by proposing corrected versions adapted to each vehicle.

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Abstract

Suivant ce procédé, dans un premier temps on annule la distorsion de niveau en mode isobare non corrélé au moyen du réglage de balance, dans un deuxième temps on positionne le centre de l'image sonore au centre de la scène sonore en mode isobare corrélé en retardant la modulation alimentant le haut-parleur le plus proche du conducteur et dans un troisième temps on annule la distorsion de phase stéréophonique en mode isobare corrélé au moyen d'un égaliseur de phase.

Description

Nouveau procédé d'amélioration de la restitution des modulations stéréophoniques en automobile.
Tous les véhicules de tourisme fabriqués par les constructeurs d' automobiles sont équipés d'un système de haut- parleurs destiné à reproduire les modulations stéréophoniques
Une modulation stéréophonique est composée de deux signaux électriques appelés canaux gauche et droit destinés à alimenter deux haut-parleurs au travers de deux amplificateurs de puissance .
Le procédé stéréophonique permet d'obtenir une image sonore continue et homogène à partir de deux haut-parleurs à condition que l'auditeur soit situé à égale distance de ces deux haut- parleurs .
Or, il est impossible que deux auditeurs assis côte à côte dans une automobile soient situés à égale distance de deux haut- parleurs diffusant les canaux gauche et droit.
En voiture, la différence de distance entre les haut- parleurs et les auditeurs provoque des distorsions de niveaux et de phases qui perturbe profondément la reproduction des modulations stéréophoniques.
En stéréophonie on appelle scène sonore l'ensemble des points de l'espace d'où semble provenir le son et image sonore la répartition des objets sonores à l'intérieur de la scène sonore. Le centre de l'image sonore doit être reproduit au centre de la scène sonore.
La différence de distance entre les haut-parleurs et les auditeurs déséquilibre la scène sonore et détériore l'image sonore. 'Le centre de l'image sonore n'est plus au centre de la scène sonore mais à proximité du haut-parleur le plus proche.
Les techniques visant à améliorer la _ reproduction stéréophonique en voiture se classent en deux catégories. D'une part les techniques mono-stéréophoniques qui visent à améliorer la reproduction pour un auditeur en général le conducteur sans se préoccuper des conséquences pour l'autre auditeur et d'autre part les techniques bi-stéréophoniques qui visent à améliorer la reproduction simultanément pour les deux auditeurs assis côte à côte dans la voiture. La mono-stéréophonie se justifie en ce qu'elle est beaucoup plus facile à mettre en œuvre que la bi-stéréophonie et dans la mesure ou le conducteur est souvent seul dans sa voiture, il peut être jugé avantageux de prévoir un réglage monostéréophonique qui lui procure une écoute de meilleure qualité lorsqu'il est seul dans sa voiture.
La présente invention est une technique du type monostéréophonique. Nos essais ont consisté à améliorer la restitution pour le conducteur assis à l'avant gauche de la voiture .
On appellera dans ce qui suit « phase stéréophonique » la différence de phase électrique entre les canaux gauche et droit, et « phase stéréophonique acoustique », la différence de phase acoustique entre les canaux gauche et droit au point d'écoute.
On appellera dans ce qui suit distorsion de phase, la phase stéréophonique acoustique lorsque la phase stéréophonique acoustique est nulle, c'est à dire lorsque les deux canaux sont en phase.
En champ libre, lorsque l'auditeur est à égale distance des haut-parleurs gauche et droit, la distorsion de phase est nulle.
En stéréophonie on distingue deux modes principaux. D'une part le mode isobare non corrélé dans lequel le niveau des canaux est identique mais leur phase n'est pas corrélée. Une modulation générant un chœur uniformément réparti sur toute la largeur de la scène sonore est en mode isobare non corrélé. D'autre part le mode isobare corrélé dans lequel les deux canaux sont en phase et de niveaux identiques c'est à dire qu'ils délivrent le même signal
. Une modulation générant un chanteur seul au milieu de l'image sonore est en mode isobare corrélé.
Lorsqu'une installation de reproduction stéréophonique fonctionne bien, l'auditeur perçoit en mode isobare non corrélé les deux extrémités de la scène sonore avec la même intensité et en mode isobare corrélé le centre de l'image sonore est reproduit au centre de la scène sonore avec une bonne corrélation .
Le centre de l'image sonore est généré par les deux haut- parleurs diffusant le même signal. Lorsqu'il y a distorsion de phase, le centre de l'image sonore n'est pas dans la même position à toutes les fréquences et donc le centre de l'image sonore est mal corrélé. Dans une automobile équipée d'une installation basique d'une part en mode isobare non corrélé l'auditeur perçoit l'extrémité de la scène sonore la plus proche avec plus d'intensité que l'extrémité la plus éloignée et d'autre part en mode isobare corrélé le centre de l'image sonore n'est pas au centre de la scène sonore et de plus il est mal corrélé.
La technique classique en matière de mono-stéréophonie consiste dans un premier temps à ajuster la balance de niveau entre les canaux afin que l'auditeur favorisé perçoive en mode isobare non corrélé les deux extrémités de la scène sonore avec la même intensité, puis, dans un deuxième temps à retarder le signal alimentant le haut-parleur le plus proche de l'auditeur pour créer un délai interaural provoquant le déplacement du centre de l'image sonore en direction du haut-parleur le plus éloigné .
Cette technique permet effectivement de positionner le centre de l'image sonore au centre de la scène sonore mais elle l'inconvénient de ne pas maîtriser la phase stéréophonique acoustique d'où une distorsion de phase entraînant un manque de corrélation du centre de l'image sonore.
Nous avons dans le brevet français N° 2 985 143 proposé un procédé consistant dans un premier temps à annuler la distorsion de phase stéréophonique, ce qui engendre un centre de l'image sonore en face de l'auditeur, puis dans un deuxième temps à déplacer le centre de l'image sonore pour l'amener au centre de la scène sonore en agissant sur les coefficients de la matrice stéréophonique, c'est à dire sur les pourcentages de signaux de somme et de différence dans les canaux gauche et droit.
Ce procédé permet d'obtenir centre de l'image sonore au centre de la scène sonore avec bonne corrélation mais au prix d'une double manipulation la phase et de la mtrice stéréophonique .
La présente invention est un procédé permettant d'obtenir de manière plus simple le centre de l'image sonore au centre de la scène sonore avec une bonne corrélation.
Le procédé suivant la présente invention consiste comme dans le procédé classique dans un premier temps à ajuster la balance de niveau entre les deux canaux afin que l'auditeur favorisé perçoive en mode isobare non corrélé les deux extrémités de la scène sonore avec la même intensité puis dans un deuxième temps à retarder le signal du haut-parleur le plus proche afin d'obtenir un délai interaural qui positionne le centre de l'image sonore dans la position désirée, l'innovation consistant dans un troisième temps à annuler la distorsion de phase résiduelle.
Nous avons en effet découvert par hasard et il a été pour nous inattendu et remarquablement intéressant que l'opération de correction de la phase stéréophonique nécessaire à annuler la distorsion de phase ne change pas la position du centre de l'image sonore ce qui rend ce procédé très facile à mettre en œuvre tout en procurant un excellent résultat.
Il est couramment admis que. les effets de la distorsion de phase sont perceptibles par l'oreille humaine jusqu'à environ 1500 Hz. Dans nos essais, nous avons annulé la distorsion de phase dans la bande 30 Hz - 1600 Hz.
La valeur de la correction de phase a appliquer au canal gauche pour annuler la distorsion de phase à une fréquence donnée est le complément à zéro de la distorsion de phase telle que définie plus haut.
Par exemple si à 500 Hz la distorsion de phase au point d'écoute gauche est
Figure imgf000005_0001
-ÇD]G = 30° on l'annule en décalant la phase du canal gauche à cette fréquence de -30°.
Pour nos essais, nous avons tout d'abord fait une mesure de la distorsion de phase après application du décalage temporel en utilisant le logiciel SPECTRALAB v : 4.32.14 qui possède un outil de mesure de la différence de phase entre les signaux gauche et droit parvenant à l'entrée de la, carte son.
Nous avons installé un microphone à la position d'écoute puis nous avons introduit un bruit rose à l'entrée de l'amplificateur alimentant le haut-parleur de gauche, et nous avons alimenté le canal gauche de la carte son avec le signal provenant du microphone et le canal droit avec le bruit rose alimentant l'amplificateur.
SPECTRALAB nous a fourni la différence de phase
Figure imgf000005_0002
pour chaque tiers d'octave entre 30 Hz et 1600 Hz que nous avons reporté dans EXCEL. Puis nous avons introduit le bruit rose a l'entrée de l'amplificateur alimentant le haut-parleur droit et SPECTRALAB nous a fourni la différence de phase [ç¾—<?½ ]c pour chaque bande tiers d'octave entre 30 Hz et 1600 Hz que nous avons reporté dans EXCEL.
En faisant dans EXCEL la différence entre les deux mesures nous obtenons
Figure imgf000006_0001
c'est à dire la distorsion de phase.
Pour corriger la phase stéréophonique électrique, nous avons utilisé l'outil « GRAPHIC PHASE SHIFTER » du logiciel Cool Edit Pro 2.1 qui permet de corriger la phase d'un signal de n'importe quelle valeur à n'importe quelle fréquence avec une précision absolue.
Nous avons appliqué au canal gauche pour chaque tiers d'octave un déphasage égal au complément à zéro de la valeur
Figure imgf000006_0002
donnée par EXCEL.
Cette manipulation n'a pas donné le résultat escompté. Après investigations nous avons trouvé un bug dans l'outil GRAPHIC PHASE SHIFTER de COOL EDIT PRO 2.1. Il est en effet d'une précision absolue mis fait le contraire de ce qu'on lui demande en appliquant un déphasage de signe inverse à celui demandé .
Nous avons donc inversé le signe de la correction de phase et cette fois, nous avons obtenu l'annulation de la distorsion de phase et constaté une amélioration très sensible de la corrélation du centre de l'image sonore.
La courbe de la figure 1 est la distorsion de phase d'origine au point d'écoute gauche [<PG~<PD]IG dns notre véhicule d' essais .
Cette courbe est absolument catastrophique elle est à l'image de la qualité de restitution des installations d'origine non corrigées.
La courbe de la figure 2 est la distorsion de phase résiduelle dans ce même véhicule après application d'un retard de 1,31 ms sur le canal gauche. Il y a un peu d'amélioration mais la distorsion de phase résiduelle est encore très importante . La courbe de la figure 3 est la distorsion de phase résiduelle après application de la procédure d'annulation de la distorsion de phase.
Ce résultat est tout à fait remarquable. Il montre que la phase acoustique est une fonction linéaire de la phase électrique ce qui n'avait à priori rien d'évident. Compte tenu de la complexité de la reproduction sonore dans un espace clos de faibles dimensions nous aurions pu avoir des rupyures de linéarité .
Sur le plan industriel, la présente invention peut se décliner sous plusieurs formes.
Pour des applications sur véhicules, en première monte ou en after-market il conviendra que l'homme de l'art implante dans le système de reproduction stéréophonique de la voiture un logiciel temps réel capable de modifier la modulation stéréophonique conformément au procédé suivant la présente invention après introduction des paramètres propres au véhicule.
Le procédé suivant la présente invention étant du traitement du signal pur sans modification de l'installation dans la voiture, on peut obtenir le résultat désiré avec une installation classique en modifiant le fichier audio.
Dans Cool Edit Pro la modification du fichier audio conformément à la présente invention se fait en 3 étapes.
Il serait avantageux de créer un logiciel permettant d'opérer la modification en une seule étape que l'on pourrait enrichir d'une égalisation de niveau, ce qui permettrait d'obtenir une qua lité de restitution apte à satisfaire les amateurs les plus exigeants qui pourraient ainsi se procurer des versions de leurs disques préférés adaptées à leur véhicule.
Ce logiciel irait chercher le paramétrage de la modification sur un serveur en indiquant le modèle du véhicule et de son équipement audio.
Une variante serait qu'un site de vente en ligne de musique comme ITUNE enrichisse son offre en proposant des versions corrigées adaptées à chaque véhicule.

Claims

Revendications
1 - Procédé d'amélioration de la restitution d'une modulation stéréophonique en un point d'écoute d'une automobile caractérisé par le fait que dans un premier temps on ajuste le rapport des niveaux des canaux gauche et droit afin que l'auditeur perçoive en mode isobare non corrélé les deux extrémités de l'image sonore avec la même intensité, que dans un deuxième temps on applique au signal alimentant le haut-parleur lé plus proche de l'auditeur un retard permettant d'amener en mode isobare corrélé le centre de l'image sonore dans la position souhaitée et que dans un troisième temps on annule la distorsion de phase pour la position d'écoute.
2 - Dispositif de reproduction stéréophonique équipé de moyens de traitement du signal et caractérisé par le fait que les moyens de traitement sont configurés pour permettre la mise en œuvre du procédé de réglage décrit dans la revendication 1.
3 - Véhicule automobile équipé d'un dispositif conforme à la revendication 2.
4 - Logiciel de traitement de modulations stéréophoniques caractérisé par le fait qu'il est capable en une seule opération de modifier une modulation stéréophonique conformément au procédé conforme à la revendication 1 et par le fait qu' il est agencé pour aller chercher sur un serveur les paramètres de réglage d'un véhicule dont on lui aura indiqué le modèle et le type d'équipement audio.
5 - Serveur de musique équipé d'un logiciel conforme à la revendication 4 et possédant en outre en mémoire les paramètres de correction pour chaque modèle de véhicule et agencé pour fournir des morceaux de musique corrigés en fonction du modèle de véhicule indiqué par le client.
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