WO2023135232A1 - Procédé de gestion des basses fréquences d'un haut-parleur et dispositif pour la mise en œuvre dudit procédé - Google Patents

Procédé de gestion des basses fréquences d'un haut-parleur et dispositif pour la mise en œuvre dudit procédé Download PDF

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WO2023135232A1
WO2023135232A1 PCT/EP2023/050690 EP2023050690W WO2023135232A1 WO 2023135232 A1 WO2023135232 A1 WO 2023135232A1 EP 2023050690 W EP2023050690 W EP 2023050690W WO 2023135232 A1 WO2023135232 A1 WO 2023135232A1
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WO
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loudspeaker
frequency
measurement
acoustic
volume
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/050690
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Inventor
Damien Jacquet
Maël POUGET
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Arkamys
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Publication date
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    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/007—Protection circuits for transducers
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • 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

  • T TRE Method for managing the low frequencies of a loudspeaker and device for implementing said method
  • the present invention relates to a method for managing the low frequencies of a loudspeaker.
  • the present invention relates to the management of the low frequencies of loudspeakers on board a vehicle.
  • the invention also relates to a device allowing the implementation of said method.
  • the international application published under the number WO 2020/256612 A1 discloses the processing of signals broadcast by several loudspeakers to exploit the interference phenomena between the loudspeakers in order to obtain a frequency response of the loudspeaker system relatively uniform, in particular in a transition frequency band centered around a cutoff frequency of low-pass and high-pass filters applied to the signals, and with limited spatial variability at low frequencies.
  • the American patent application published under the number US 2020/0351585 A1 discloses an audio system comprising a subwoofer intended for the reproduction of low frequencies, and a loudspeaker intended for the reproduction of high frequencies. The signals intended for the subwoofer and the loudspeaker are pre-filtered by means of a low-pass filter and a high-pass filter respectively.
  • the combination of these pre-filters results in a frequency response with a wavy profile at a transition frequency band centered around a filter cutoff frequency.
  • the loudspeaker intended for the reproduction of high frequencies has a configurable built-in filter to flatten the profile of the frequency response in the transition zone.
  • the present invention proposes an alternative solution to systems for managing low frequencies restored by loudspeakers.
  • the main objectives of the method for managing low frequencies according to the invention are:
  • the invention relates to a method for managing the low frequencies of a loudspeaker on board a vehicle and belonging to a sound system of said vehicle having an adjustable volume level. According to the invention, the method comprises:
  • a step of measuring acoustic indicators of the loudspeaker during which a set of acoustic indicators including a distortion indicator are measured comprising a step of characterizing the loudspeaker by means of a measurement system, a step of determining a frequency response of the sound chain at each volume level, a step of determining a distortion indicator and a parasitic vibration indicator for each volume level;
  • a low frequency management step implementing said acoustic indicators, the frequency response and the parasitic vibration indicator, during which a reproduction of low frequencies by the loudspeaker is optimized from the acoustic indicators.
  • the calibration step comprises:
  • the calibration step includes a prior pre-adjustment carried out on adjustable parameters of dimensioning components of the sound chain.
  • the loudspeaker characterization step includes a calibration of the measurement system and a measurement of the loudspeaker modeling parameters.
  • the measurement system includes a laser and a microphone.
  • the step of determining a frequency response of the sound chain at each volume level comprises the following steps:
  • the determination of distortion and spurious vibration indicators is accomplished by measuring a frequency response using the microphone placed at an estimated position of a driver's head, and includes the steps following:
  • the measurements carried out during the step of measuring the acoustic indicators of the loudspeaker are carried out in open loop, the excitation and measurement signals being realigned in time before post-processing.
  • the signals are post-processed by means in particular of short-term Fourier transforms.
  • the low frequency management step comprises:
  • an acoustic potential is determined, corresponding, for a given frequency and a given operating point of the sound chain, to a maximum amplitude allowed for the signal beyond which the distortion indicator is greater than a specification for said operating point, said acoustic potential being calculated for each of the volume levels, by comparing the distortion indicator measurements made during the measurement step to the specification for the volume considered.
  • an equalization is applied to the loudspeaker, including a gain at a given frequency is given by a difference between the acoustic potential and the frequency response measured during the measurement step.
  • the equalization is carried out by means of four filters comprising a high-pass filter and a "low-shelf” filter, used essentially to correct frequency bands below the cut-off frequency of the loudspeaker , and two “peak” type filters, essentially used to correct a band of frequencies centered around the loudspeaker cutoff frequency, a set of filter parameters being initialized and then optimized according to the target frequency response.
  • the optimization of the parameters of the filters is carried out iteratively.
  • a dynamic equalizer comprising at least one notch-type filter each having a predetermined center frequency and quality factor and a dynamic gain, each of the central frequencies being defined as a function of the acoustic phenomenon that needs to be controlled, and said dynamic gain being triggered as soon as the signal crosses a threshold value.
  • the method also comprises a step of linearizing the loudspeaker.
  • the invention also relates to a device for managing the low frequencies of a loudspeaker.
  • the device comprises:
  • the device also comprises means for compensating for the non-linearities of the loudspeaker.
  • the means for measuring acoustic indicators of the loudspeaker comprises a microphone and a laser.
  • FIG. 1 represents a schematic diagram of the method for managing low frequencies according to the invention.
  • FIG. 2 represents a schematic diagram of the measurement step of the method for managing low frequencies according to the invention.
  • FIG. 3A illustrates a time shift between excitation signals and measured during measurements carried out in open loop within the framework of the method according to the invention.
  • FIG. 3B illustrates the signal obtained after synchronization of the excitation and measured signals illustrated in [FIG. 3A],
  • FIG. 4A illustrates a typical loudspeaker frequency response, and an ideal frequency response.
  • FIG. 4B illustrates a target frequency response, defining a target frequency response corresponding to a maximum amplitude making it possible to satisfy the specifications, in terms of mechanical stresses or generated distortion.
  • FIG. 5A illustrates the frequency response obtained after optimizing the filter parameters during the bandwidth extension step.
  • FIG. 5B illustrates the equalization curve applied to obtain the frequency response of [Fig. 5A], Detailed Description
  • the method 1 for managing the low frequencies of a loudspeaker of a vehicle comprises the following steps:
  • the calibration step 10 is a step prior to the implementation of the subsequent steps of method 1.
  • the sound chain is configured in order to reach a set of specifications.
  • sound chain means all the components involved in the transmission and production of sound in the vehicle, from the generation of a signal and its management in a vehicle audio system, to the ears of a user. of the vehicle.
  • the components of the sound chain include in particular a set of loudspeakers and may also include, in a non-exhaustive manner: volume functions, a digital/analog converter, digital signal processing functions (for example equalization, gains, delays), a vehicle interior modeled by an acoustic transfer function, an amplifier.
  • the sound chain considered in the context of the invention comprises a certain number of volume levels, for example 30, each corresponding to a degree of attenuation of the signal, generally at the output of the sound chain.
  • the volume level can be modified discreetly by an operator, for example in steps of 1.
  • the specifications are for example defined by the vehicle manufacturer, or by an entity responsible for an audio service.
  • the specifications define a set of audio criteria necessary to achieve sound reproduction quality objectives.
  • the audio criteria defined in the specifications include, for example: sound pressure level (SPL or "Sound Pressure Level" in English terminology) at the driver's ears at a given volume step for a given incoming signal, volume law, response in target frequencies, etc.
  • the sound reproduction quality objective to be achieved is generally considered from the point of view of a driver of the vehicle, but can be considered from another point of view, for example the point of view of a passenger.
  • operating point means a use case of the vehicle's audio system, and corresponds to a particular configuration of the sound system.
  • the sound pressure level can be considered only at the maximum volume level.
  • a pre-adjustment is carried out on the adjustable parameters of the sizing components of the sound chain, that is to say the components having the most impact on the quality of sound reproduction.
  • An amplitude of a transfer function of these components is not negligible in comparison with the other components of the sound chain, typically these functions induce a significant modification of the overall sound level, for example a modification greater than 3 dB.
  • the calibration step 10 comprises:
  • a step of determining an acoustic signature of the passenger compartment of the vehicle which is determined in particular by the location of the loudspeakers and the geometry of the passenger compartment;
  • the filters determined in this step make it possible to minimize the difference between the target acoustic signature and the acoustic signature of the vehicle cabin once the filters in question have been applied in the sound chain.
  • measurement step 11 is implemented on the calibrated chain.
  • measurement step 11 includes: - a step 110 for characterizing the loudspeaker
  • step 112 for determining a distortion indicator and a parasitic vibration indicator for each volume level.
  • measurement elements of a measurement system are first calibrated.
  • the measurement elements comprise a laser and at least one microphone.
  • Modeling parameters are then measured, in order to be able to model the behavior of the loudspeaker.
  • the modeling parameters include the Thiele and Small parameters, which are measured using a small amplitude excitation signal, for which the loudspeaker response is linear, and using measuring elements, here the laser and the at least one microphone, but other measuring elements can be envisaged.
  • the Thiele and Small parameters include in particular, in a non-exhaustive manner: electrical resistance, force factor, resonance frequency, mechanical compliance.
  • the linear model is used to predict loudspeaker behavior for low amplitude excitation signals.
  • measurements are also carried out by means of an excitation signal of higher amplitude in order to determine an evolution of the parameters of the loudspeaker from which non-linearities of the loudspeaker may come.
  • an evolution is determined, as a function of an excursion x of the loudspeaker membrane, of the force factor, of the inductance of the coil, and of the mechanical compliance.
  • the non-linear model is used to predict the behavior of the loudspeaker for high amplitude excitation signals.
  • the loudspeaker characterization step 110 is preferably carried out outside the vehicle, in an acoustic laboratory.
  • the frequency response of the sound system of the vehicle is measured in situ for each volume step of the system sound of the vehicle.
  • in situ is meant that, unlike the step 110 of characterizing the loudspeaker carried out in the laboratory, the step 111 of determining the frequency response of the sound system of the vehicle is carried out in the passenger compartment of the vehicle. .
  • the excitation signal is a sweeping signal acting on a band of frequencies of interest, for example from 20Hz to 200Hz or from 40Hz to 16,000 Hz.
  • the amplitude of the excitation signal is also known and depends on the volume of the audio system.
  • the amplitude of the excitation signal is for example equal to -10 dBFS, the unit dBFS designating the full scale decibel.
  • the frequency sweep rate of the excitation signal depends on the capacity of the measurement system to provide exact measurements of the amplitude with the required frequency precision, and must be chosen in such a way as to effectively reveal the acoustic phenomena studied ( parasitic vibrations for example).
  • a sweep speed of 3 seconds/octave can for example be considered if the measurement system allows it.
  • said indicators are determined for each volume level.
  • the distortion indicator used here is the total harmonic distortion rate THD (Total Harmony Distortion in Anglo-Saxon terminology), but other indicators can be used, for example the intermodulation distortion rate IMD (Inter-Modulation Distortion in English terminology). Anglo-Saxon).
  • the measurement of the total harmonic distortion rate THD is carried out by placing at least one microphone at an estimated position of the driver's head, using for example an excitation signal of the sinusoidal sweep signal type ("sine sweep" in Anglo-Saxon terminology) covering a frequency range from 40Hz to 16,000Hz at -10 dBFS.
  • V0 volume level
  • the "V1" volume level must produce a sound level of 75dB(A) at the driver's ears when broadcasting pink noise at -18dBFS;
  • V2 volume level
  • V3 the "V3" volume level corresponds to the maximum volume level of the audio system.
  • the results of the THD distortion indicator measurements are collected in a three-dimensional distortion matrix, the dimensions of which are respectively the measurement frequencies, the digital amplitudes of the volume-law corrected excitation signal, that is- ie the attenuation at the considered volume step, and the THD distortion indicators measured by means of the frequency response.
  • Parasitic vibrations are audible and unwanted noise, broad band, radiated by the vibrating structures connected to the loudspeaker which can vibrate during its operation at high level.
  • the indicator of parasitic vibrations retained here corresponds to an Erattle energy located in all the frequencies beyond the N-th harmonic of the excitation frequency of the sound chain.
  • Other indicators can be used, such as the residual distortion rate THD+N (“Total Harmony Distortion plus Noise” in English terminology).
  • THD+N Total Harmony Distortion plus Noise
  • the measurements carried out during the measurement step 11 are generally carried out in open loop, that is to say that the excitation signal Se and the measured response S of the loudspeaker or of the sound system are not synchronized .
  • the [Fig. 3A] illustrates the time lag between the excitation signal Se and the measured signal S.
  • it is essential to be able to identify on the measured signal S the start of the response of the sound chain or from the loudspeaker to the excitation signal.
  • the excitation Se and measurement S signals are therefore realigned with each other to obtain a resynchronized signal Sa.
  • the excitation signals used are preceded by a count corresponding to a succession of beeps, in order to be able to detect the start of the signal, which is also useful for warning operators of the start of measurements.
  • excitation Se and measured S signals can thus be realigned, as shown in [Fig. 3B], either by truncation of the measured signal, or by a so-called “zero padding” method applied to the excitation signal.
  • the measurements carried out during the step of measurement 11 can be carried out in closed loop, if the system audio from vehicle allows it (presence, for example, of a jack socket to inject an audio signal in real time).
  • the frequency response of the sound chain, the distortion indicator and the parasitic vibration indicator are determined during the determination step 11 by means of a time-frequency analysis.
  • the structure of the excitation signal being known, it is possible to extract from the measured signal the amplitude of the fundamental of the frequency response, to obtain the transfer function, of the harmonics to obtain the distortion indicator, and it It is possible to perform a broadband noise analysis to determine the parasitic vibration indicator.
  • a short-term Fourier transform (“STFT” or Short Time Fourier Transform in English terminology) is advantageously used.
  • STFT Short Time Fourier transform
  • a wavelet transform or a periodigram can be used.
  • the analysis is carried out in octave bands.
  • background noise can introduce artifacts into the frequency response, distortion indicator, and spurious vibration indicator measurements.
  • a measurement of the background noise is carried out before each measurement, as described previously, thus making it possible to eliminate artefacts in the amplitude measurements, by correcting the measurement, or making it possible to determine a confidence level of the measurement.
  • excitation signal than a sinusoidal sweep signal
  • a noise signal a pulsed signal, or more generally any signal allowing frequency exploration on the desired frequency band to perform the measurement can be used instead of the sinusoidal sweep signal.
  • the low frequency management step 12 is implemented. More specifically, the measurements taken during measurement step 11 (e.g. distortion indicator, frequency response of the sound chain at each volume level and parasitic vibration indicator) are used during step 12 of bass management frequencies.
  • the measurements taken during measurement step 11 e.g. distortion indicator, frequency response of the sound chain at each volume level and parasitic vibration indicator
  • low frequency management step 12 includes:
  • the frequency response of the sound chain is amplified below a cutoff frequency fc of the loudspeaker, so as to extend the bandwidth of said sound chain, and thus keep a response frequency as flat as possible in the low frequencies.
  • the frequency amplification is constrained in order to limit undesirable phenomena such as distortion or parasitic vibrations linked to the mechanical connection with the vehicle (“rattle”).
  • FIG. 4A illustrates a typical loudspeaker frequency response, shown as a solid line, and an ideal frequency response, shown as dashes.
  • the [Fig. 4B] illustrates a target frequency response, shown in dotted lines, taking into account the electrical and mechanical stresses of the loudspeaker, in order to limit the phenomena of parasitic vibrations, distortion, and in order to protect the loudspeaker.
  • the target frequency response defines the maximum amplitude to meet the specifications, in terms of mechanical stress or distortion generated, at the volume level considered.
  • the parasitic vibration indicator lets you know if a parasitic vibration can appear in the new extended band.
  • the parasitic vibration indicator is taken into account in order to avoid the amplification of parasitic vibration phenomena.
  • an acoustic potential is determined for each operating point.
  • the acoustic potential corresponds, for a given frequency and at the given operating point, to a maximum amplitude authorized for the signal beyond which the distortion indicator is higher than the specification.
  • the acoustic potential is therefore deduced from the measurements carried out during the step 112 of determining a distortion indicator.
  • specifications are usually only defined for a finite number of volume levels.
  • the acoustic objectives for the other volume levels are interpolated from the known specifications, following the evolution of the volume law.
  • volume level below (respectively above) the minimum (respectively maximum) volume level given by the specifications is associated with the same specifications as the minimum (respectively maximum) volume level.
  • Another convention can of course be adopted.
  • the acoustic potential is calculated for each of said volume levels, by comparing the distortion indicator measurements taken during measurement step 11 with the specification for the volume considered.
  • the measurement of the excursion of the membrane is also compared with the maximum excursion xmax of the loudspeaker determined during step 110 of characterizing the loudspeaker, in order to ensure that the excursion of the loudspeaker does not exceed the maximum excursion.
  • the background noise is therefore preferentially taken into account in the measurements, in order to correct the measured signals.
  • a set of filter parameters comprising for example a central frequency, a cutoff frequency, a quality factor Q, a gain G, and a type of filter, is initialized;
  • the set of parameters is then optimized, depending on the uncorrected frequency response and the target frequency response.
  • a band equalizer with four bands is used.
  • This equalizer uses a high-pass filter, a “low shelf” type filter, and two “peak” type filters.
  • HR for “Infinite impulse Response” in English
  • Fl R for “Finite impulse Response” in English
  • the initialization depends on the type of filter considered, as well as the uncorrected frequency response and the target frequency response.
  • High-pass and low-shelf type filters are used primarily to correct frequency bands below the speaker's cutoff frequency, and peak-type filters are primarily used for a frequency band around the speaker's cutoff frequency.
  • the gain values of the filters depend on the applicable gain determined by means of the acoustic potential.
  • the gains are for example initialized to the applicable gain values previously determined.
  • the quality factor is initialized by default to 0.707 for high-pass and “low shelf” filters, and to 3 for “peak” type filters.
  • Parameter optimization is then performed iteratively.
  • the distortion indicator is overestimated due to the natural shape of the loudspeaker frequency response. Consequently, the applicable gain is underestimated.
  • the frequency response of the loudspeaker tends to flatten, leading to a decrease in the value of the distortion indicator THD. This reduction implies that an additional gain margin is applicable, while remaining within the specifications.
  • the distortion indicator THD increases rapidly, due to the non-linearities of the loudspeaker.
  • the [Fig. 5A] and [Fig. 5B] illustrate an example, respectively of the frequency response after the optimization process, and of the equalization curve applied.
  • a first “peak” type filter having a central frequency of 83.82 Hz, an attenuation of 3.16 dB at this frequency, and a quality factor equal to 2;
  • a second “peak” type filter having a central frequency of 63.25 Hz, a gain of 7.335 dB at this frequency, and a quality factor equal to 3.1;
  • the filter parameters obtained at the end of the optimization of the filter parameters for a given volume level are reused for a lower and or higher volume level.
  • the loudspeaker protection stage 121 is carried out downstream of the band extension stage 120, so that the gain provided in the low frequencies during the bandwidth extension is eliminated if it causes vibration.
  • This loudspeaker protection step is to limit certain excitation frequencies that cause distortion or parasitic vibration phenomena, for example.
  • a dynamic equalizer is implemented and automatically adjusted thanks to the acoustic characterization that is made of these undesirable effects.
  • the advantage of the dynamic EQ is that it is only active when needed, and does not alter the signal when not needed.
  • the dynamic equalizer comprises three notch-type quadratic filters each having a constant center frequency and quality factor, and a dynamic gain.
  • the types of filters used may also vary.
  • Each central frequency is defined according to the phenomenon that needs to be controlled, and the central frequencies therefore depend in particular on the characteristics of the loudspeaker and its environment (door panel for example).
  • the dynamic gain is triggered when the signal crosses a threshold value, which corresponds for example to the acoustic potential calculated for the distortion indicator THD or for the parasitic vibration indicator, i.e. the maximum amplitude , at a given frequency, beyond which the specification relating to the acoustic phenomenon concerned is no longer respected.
  • the method 1 also comprises a step of linearizing the loudspeaker 122, carried out downstream of the step 120 of band extension and upstream of the step 121 of protection of the loudspeaker. .
  • the purpose of the loudspeaker linearization stage is to compensate for signal distortions introduced by the behavior of the loudspeaker for high amplitude signals.
  • a non-linear real-time model of the loudspeaker can for example be used.
  • the method for managing low frequencies according to the invention allows:
  • the invention also relates to a device for managing the low frequencies of a loudspeaker.
  • the device according to the invention comprises:
  • the device also comprises means for compensating for the non-linearities of the loudspeaker.
  • the means for measuring acoustic indicators of the loudspeaker comprises a microphone and a laser.

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Abstract

L'invention concerne un procédé (1) de gestion des basses fréquences d'un haut-parleur embarqué dans un véhicule. Selon l'invention, le procédé comporte : • - une étape de calibration (10) d'une chaîne sonore du véhicule incluant le haut-parleur, pour atteindre un ensemble de spécifications; • - une étape de mesure (11) d'indicateurs acoustiques du haut- parleur incluant un indicateur de distorsion, l'étape de mesure (11) comportant une étape (110) de caractérisation du haut-parleur au moyen d'un système de mesure, une étape (111) de détermination d'une réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume, une étape (112) de détermination d'un indicateur de distorsion et d'un indicateur de vibrations parasites pour chaque niveau de volume; • - une étape de gestion des basses fréquences (12), mettant en oeuvre lesdits indicateurs acoustiques, la réponse en fréquence à chaque niveau de volume et les indicateur de vibrations parasites, au cours de laquelle une restitution des basses fréquences par le haut-parleur est optimisée. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

Description

DESCRIPTION
T TRE: Procédé de gestion des basses fréquences d’un haut-parleur et dispositif pour la mise en œuyre dudit procédé
Domaine technique
La présente invention se rapport à un procédé de gestion des basses fréquences d’un haut- parleur.
Plus particulièrement, la présente invention concerne la gestion des basses fréquences de haut-parleurs embarqués dans un véhicule.
L’invention concerne également un dispositif permettant la mise en œuvre dudit procédé. Technique antérieure
Il existe dans l’art antérieur des systèmes de gestion de basses fréquences dans les systèmes audios comportant des haut-parleurs.
La demande internationale publiée sous le numéro WO 2020/256612 A1 divulgue le traitement de signaux diffusés par plusieurs haut-parleurs pour exploiter les phénomènes d’interférence entre les haut-parleurs afin d’obtenir une réponse en fréquence du système de haut-parleurs relativement uniforme, en particulier dans une bande de fréquence de transition centrée autour d’une fréquence de coupure de filtres passe-bas et passe-haut appliqués aux signaux, et avec une variabilité spatiale limitée dans les basses fréquences. La demande de brevet américain publiée sous le numéro US 2020/0351585 A1 divulgue un système audio comprenant un subwoofer destiné à la reproduction des basses fréquences, et un haut-parleur destiné à la reproduction des hautes fréquences. Les signaux destinés au subwoofer et au haut-parleur sont pré-filtrés au moyen respectivement d’un filtre passe-bas et d’un filtre passe-haut. La combinaison de ces pré-filtrages entraîne une réponse en fréquence présentant un profil ondulé au niveau d’une bande de fréquence de transition centrée autour d’une fréquence de coupure des filtres. Le haut-parleur destiné à la reproduction des hautes fréquences présente un filtre intégré paramétrable permettant d’aplanir le profil de la réponse en fréquence dans la zone de transition.
Le brevet américain publié sous le numéro US 8 842 845 B2 divulgue un procédé automatique d’égalisation du niveau de pression sonore dans les basses fréquences, typiquement pour les fréquences comprises entre 0 et environ 150 Hz, notamment pour uniformiser le niveau de pression sonore dans les basses fréquences, par exemple dans un véhicule, où des ondes stationnaires peuvent apparaître et fausser la perception sonore. Pour cela, un déphasage optimal est appliqué à l’un des signaux, déterminé sur la base de mesures acoustiques et de minimisation d’un écart à une courbe cible du niveau de pression sonore.
Exposé de l’invention La présente invention propose une solution alternative aux systèmes de gestion des basses fréquences restituées par des haut-parleurs.
Les principaux objectifs du procédé de gestion des basses fréquences selon l’invention sont :
- étendre la bande-passante du haut-parleur en égalisant sa réponse en fréquence pour faire en sorte qu’elle soit la plus plate possible ;
- réduire le phénomène de distorsion tout en augmentant le niveau des basses fréquences ;
- protéger le haut-parleur contre des phénomènes indésirables de type : distorsion, vibrations parasites (connues sous le nom « rattle » en terminologie anglo-saxonne), etc.
L’invention concerne un procédé de gestion des basses fréquences d’un haut-parleur embarqué dans un véhicule et appartenant à une chaîne sonore dudit véhicule présentant un niveau de volume ajustable. Selon l’invention, le procédé comporte :
- une étape de calibration de la chaîne sonore du véhicule, au cours de laquelle des paramètres de la chaîne sonore sont ajustés pour atteindre un ensemble de spécifications ;
- une étape de mesure d’indicateurs acoustiques du haut-parleur au cours de laquelle sont mesurés un ensemble d’indicateurs acoustiques incluant un indicateur de distorsion, l’étape de mesure comportant une étape de caractérisation du haut-parleur au moyen d’un système de mesure, une étape de détermination d’une réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume, une étape de détermination d’un indicateur de distorsion et d’un indicateur de vibrations parasites pour chaque niveau de volume ;
- une étape de gestion des basses fréquences, mettant en œuvre lesdits indicateurs acoustiques, la réponse en fréquence et l’indicateur de vibrations parasites, au cours de laquelle une restitution des basses fréquences par le haut-parleur est optimisée à partir des indicateurs acoustiques.
Dans un mode de mise en œuvre, l’étape de calibration comprend :
- une étape de détermination d’une signature acoustique d’un habitacle du véhicule ;
- une étape de comparaison de ladite signature acoustique mesurée avec une signature acoustique cible ;
- une étape de détermination de filtres pour diminuer un écart entre ladite signature acoustique mesurée et ladite signature acoustique cible.
Dans un mode de mise en œuvre, l’étape de calibration comprend un pré-réglage préalable réalisé sur des paramètres ajustables de composants dimensionnants de la chaîne sonore. Dans un mode de mise en œuvre, l’étape de caractérisation du haut-parleur comprend une calibration du système de mesure et une mesure des paramètres de modélisation du haut- parleur.
Dans un mode de mise en œuvre, le système de mesure comprend un laser et un microphone. Dans un mode de mise en œuvre, l’étape de détermination d’une réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume comprend les étapes suivantes :
- réglage du pas de volume du système audio du véhicule, initialement à sa valeur minimale ;
- génération d’un signal d’excitation permettant une exploration en fréquence ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen du microphone ;
- mesure d’une excursion d’une membrane du haut-parleur au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume ; lesdites étapes étant répétées jusqu’au pas de volume maximal inclus.
Dans un mode de mise en œuvre, la détermination des indicateurs de distorsion et de vibrations parasites est réalisée en mesurant une réponse en fréquence au moyen du microphone placé au niveau d’une position estimée de la tête d’un conducteur, et comprend les étapes suivantes :
- mesure d’un bruit de fond ;
- réglage du pas de volume, initialement à sa valeur minimale ;
- génération d’un signal d’excitation de type signal à balayage sinusoïdal ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen du microphone ;
- mesure de l’excursion de la membrane au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume ; lesdites étapes étant répétées jusqu’au pas de volume maximal inclus.
Dans un mode de mise en œuvre, les mesures réalisées lors de l’étape de mesure des indicateurs acoustiques du haut-parleur sont réalisées en boucle ouverte, les signaux d’excitation et de mesure étant réalignées temporellement avant post-traitement.
Dans un mode de mise en œuvre, les signaux sont post-traités au moyen notamment de transformées de Fourier à court terme.
Dans un mode de mise en œuvre, l’étape de gestion des basses fréquences comprend :
- une étape d’extension de largeur de bande pour rapprocher la réponse en fréquence du haut-parleur d’une réponse en fréquence cible ;
- une étape de protection du haut-parleur.
Dans un mode de mise en œuvre, au cours de l’étape d’extension de largeur de bande, il est déterminé un potentiel acoustique, correspondant, pour une fréquence donnée et un point de fonctionnement donné de la chaîne sonore, à une amplitude maximale autorisée pour le signal au-delà de laquelle l’indicateur de distorsion est supérieur à une spécification pour ledit point de fonctionnement, ledit potentiel acoustique étant calculé pour chacun des niveaux de volume, en comparant les mesures d’indicateur de distorsion réalisées lors de l’étape de mesure à la spécification pour le volume considéré.
Dans un mode de mise en œuvre, au cours de l’étape d’extension de largeur de bande, il est appliqué, pour chaque niveau de volume, une égalisation au haut-parleur, dont un gain à une fréquence donnée est donné par un écart entre le potentiel acoustique et la réponse en fréquence mesurée lors de l’étape de mesure.
Dans un mode de mise en œuvre, l’égalisation est réalisée au moyen de quatre filtres comprenant un filtre passe-haut et un filtre « low-shelf », utilisés essentiellement pour corriger des bandes fréquences inférieures à la fréquence de coupure du haut-parleur, et deux filtres de type « peak », essentiellement utilisés pour corriger une bande de fréquences centrée autour de la fréquence de coupure du haut-parleur, un jeu de paramètres des filtres étant initialisé puis optimisé en fonction de la réponse en fréquence cible.
Dans un mode de mise en œuvre, l’optimisation des paramètres des filtres est réalisée de manière itérative.
Dans un mode de mise en œuvre, au cours de l’étape de protection du haut-parleur, il est mis en œuvre un égaliseur dynamique comportant au moins un filtre de type coupe-bande présentant chacun une fréquence centrale et un facteur de qualité prédéterminés et un gain dynamique, chacune des fréquences centrales étant définie en fonction du phénomène acoustique qu’il convient de maîtriser, et ledit gain dynamique se déclenchant dès lors que le signal franchit une valeur seuil.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comporte par ailleurs une étape de linéarisation du haut-parleur.
L’invention concerne également un dispositif pour la gestion des basses fréquences d’un haut-parleur. Selon l’invention, le dispositif comporte :
- des moyens pour calibrer la chaîne sonore du véhicule ;
- des moyens pour mesurer des indicateurs acoustiques du haut-parleur ;
- des moyens pour étendre la bande-passante du haut-parleur ;
- des moyens pour limiter l’amplitude des fréquences occasionnant des phénomènes acoustiques indésirables.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte également des moyens pour compenser les non-linéarités du haut-parleur.
Dans un mode de réalisation, les moyens pour mesurer des indicateurs acoustiques du haut- parleur comprennent un microphone et un laser.
Brève description des dessins
[Fig. 1] représente un diagramme schématique du procédé de gestion des basses fréquences selon l’invention.
[Fig. 2] représente un diagramme schématique de l’étape de mesure du procédé de gestion des basses fréquences selon l’invention.
[Fig. 3A] illustre un décalage temporel entre signaux d’excitation et mesuré lors des mesures réalisées en boucle ouverte dans le cadre du procédé selon l’invention. [Fig. 3B] illustre le signal obtenu après synchronisation des signaux d’excitation et mesuré illustrés sur la [Fig. 3A],
[Fig. 4A] illustre une réponse en fréquence type d’un haut-parleur, et une réponse en fréquence idéale.
[Fig. 4B] illustre une réponse en fréquence cible, définissant une réponse en fréquence cible correspondant à une amplitude maximale permettant de satisfaire aux spécifications, en termes de contraintes mécaniques ou de distorsion générée.
[Fig. 5A] illustre la réponse en fréquence obtenue après optimisation des paramètres de filtres lors de l’étape d’extension de la largeur de bande.
[Fig. 5B] illustre la courbe d’égalisation appliquée pour l’obtention de la réponse en fréquence de la [Fig. 5A], Description détaillée
En référence à la [Fig. 1], le procédé 1 de gestion des basses fréquences d’un haut-parleur d’un véhicule, selon l’invention, comporte les étapes suivantes :
- une étape de calibration 10 d’une chaîne sonore du véhicule ;
- une étape de mesure 11 d’indicateurs acoustiques du haut-parleur ;
- une étape de gestion des basses fréquences 12 des signaux.
L’étape de calibration 10 est une étape préalable à la mise en œuvre des étapes subséquentes du procédé 1.
Au cours de l’étape de calibration 10, la chaîne sonore est paramétrée afin d’atteindre un ensemble de spécifications.
On entend par « chaîne sonore » l’ensemble des composants intervenant dans la transmission et la production du son dans le véhicule, depuis la génération d’un signal et sa gestion dans un système audio du véhicule, jusqu’aux oreilles d’un utilisateur du véhicule. Les composants de la chaîne sonore comprennent notamment un ensemble de haut- parleurs et peuvent par ailleurs comprendre, de manière non exhaustive : des fonctions de volume, un convertisseur numérique/analogique, des fonctions de traitement numérique du signal (par exemple égalisation, gains, délais), un habitacle du véhicule modélisé par une fonction de transfert acoustique, un amplificateur.
Notamment la chaîne sonore considérée dans le cadre de l’invention comporte un certain nombre de niveaux de volume, par exemple 30, correspondant chacun à un degré d’atténuation du signal, généralement en sortie de la chaîne sonore. Le niveau de volume est modifiable de manière discrète par un opérateur, par exemple par pas de 1.
Par la suite, il n’est considéré qu’un seul haut-parleur, étant entendu que les mesures réalisées pour un haut-parleur sont appliquées de manière similaire aux autres haut- parleurs. L’invention n’est cependant pas limitée à un seul haut-parleur. Les spécifications sont par exemple définies par le constructeur du véhicule, ou par une entité responsable d’une prestation audio. Les spécifications définissent un ensemble de critères audio nécessaires pour permettre d’atteindre des objectifs de qualité de restitution sonore. Les critères audios définis dans les spécifications incluent par exemple : niveau de pression sonore (SPL ou « Sound Pressure Level » en terminologie anglo-saxonne) aux oreilles du conducteur à un pas de volume donné pour un signal entrant donné, loi de volume, réponse en fréquences cible, etc.
L’objectif de qualité de restitution sonore à atteindre est généralement considéré du point de vue d’un conducteur du véhicule, mais peut être considéré depuis un autre point de vue, par exemple le point de vue d’un passager.
Les spécifications sont généralement définies pour un ensemble limité de points de fonctionnement. On entend par « point de fonctionnement » un cas d’utilisation du système audio du véhicule, et correspond à une configuration particulière de la chaîne sonore. A titre d’exemple, le niveau de pression sonore peut être considéré uniquement au niveau de volume maximal.
Pour réaliser la calibration, un pré-réglage est réalisé sur des paramètres ajustables des composants dimensionnants de la chaîne sonore, c’est-à-dire des composants ayant le plus d’impact sur la qualité de restitution sonore. Une amplitude d’une fonction de transfert de ces composants est non négligeable en comparaison avec les autres composants de la chaîne sonore, typiquement ces fonctions induisent une modification significative du niveau sonore global, par exemple une modification supérieure à 3 dB. Une fois ce pré-réglage réalisé, l’ensemble des paramètres de tous les composants de la chaîne sonore peut être légèrement ajusté afin d’atteindre les critères définis dans les spécifications.
Il n’est pas nécessaire au stade de la calibration de réaliser un réglage fin des paramètres. Dans un mode de mise en œuvre du procédé, l’étape de calibration 10 comporte :
- une étape de détermination d’une signature acoustique de l’habitacle du véhicule, laquelle est fixée notamment par l’emplacement des haut-parleurs et la géométrie de l’habitacle ;
- une étape de comparaison de ladite signature acoustique mesurée avec une signature acoustique cible ;
- la détermination de filtres pour diminuer un écart entre ladite signature acoustique mesurée et ladite signature acoustique cible.
Les filtres déterminés dans cette étape permettent de minimiser l’écart entre la signature acoustique cible et la signature acoustique de l’habitacle du véhicule une fois les filtres en question appliqués dans la chaîne sonore.
Une fois la calibration réalisée, l’étape de mesure 11 est mise en œuvre sur la chaîne calibrée.
En référence à la [Fig. 2], l’étape de mesure 11 inclut : - une étape 110 de caractérisation du haut-parleur ;
- une étape 111 de détermination d’une réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume ;
- une étape 112 de détermination d’un indicateur de distorsion et d’un indicateur de vibrations parasites pour chaque niveau de volume.
Au cours de l’étape 110 de caractérisation du haut-parleur, des éléments de mesure d’un système de mesure sont tout d’abord calibrés.
Dans le mode de mise en œuvre considéré, les éléments de mesure comprennent un laser et au moins un microphone.
Des paramètres de modélisation sont ensuite mesurés, afin de pouvoir modéliser le comportement du haut-parleur.
Dans un mode de mise en œuvre, les paramètres de modélisation incluent les paramètres de Thiele et Small, lesquels sont mesurés au moyen d’un signal d’excitation de petite amplitude, pour lequel la réponse du haut-parleur est linéaire, et au moyen des éléments de mesure, ici le laser et l’au moins un microphone, mais d’autres éléments de mesure peuvent être envisagés.
Les paramètres de Thiele et Small incluent notamment, de manière non exhaustive : résistance électrique, facteur de force, fréquence de résonance, compliance mécanique.
Il est ainsi possible de modéliser le comportement linéaire du haut-parleur, selon un modèle connu de l’homme du métier. Le modèle linéaire est utilisé pour prévoir le comportement du haut-parleur pour des signaux d’excitation de faible amplitude.
Dans un mode de mise en œuvre, des mesures sont également réalisées au moyen d’un signal d’excitation d’amplitude plus élevée afin de déterminer une évolution de paramètres du haut-parleur dont peuvent provenir des non-linéarités du haut-parleur. Il est notamment déterminé une évolution, en fonction d’une excursion x de la membrane du haut-parleur, du facteur de force, de l’inductance de la bobine, et la compliance mécanique.
Il est ainsi possible de modéliser le comportement non-linéaire du haut-parleur, selon un modèle connu de l’homme du métier. Le modèle non-linéaire est utilisé pour prévoir le comportement du haut-parleur pour des signaux d’excitation de forte amplitude.
La connaissance de l’évolution des paramètres du haut-parleur à l’origine des non-linéarités permet de déterminer une excursion maximale xmax de la membrane du haut-parleur au- delà de laquelle le comportement du haut-parleur est non-linéaire.
L’étape 110 de caractérisation du haut-parleur est réalisée, de préférence, hors véhicule, en laboratoire acoustique.
Au cours de l’étape 111 subséquente de détermination de la réponse en fréquence de la chaîne sonore du véhicule, la réponse en fréquence de la chaîne sonore du véhicule, incluant le haut-parleur, est mesurée in situ pour chaque pas de volume du système audio du véhicule. On entend par « in situ » que, contrairement à l’étape 110 de caractérisation du haut-parleur menée en laboratoire, l’étape 111 de détermination de la réponse en fréquence de la chaîne sonore du véhicule est réalisée dans l’habitacle du véhicule.
Il est suivi le schéma suivant :
- réglage du pas de volume du système audio du véhicule, initialement à sa valeur minimale ;
- génération du signal d’excitation, de type signal à balayage sinusoïdal (« sine sweep » en terminologie anglo-saxonne) ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen d’au moins un microphone au niveau d’un point d’écoute spécifié par les objectifs de qualité de restitution sonore ;
- mesure de l’excursion x, ou déplacement, de la membrane au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume.
Ce schéma est ainsi mis en œuvre jusqu’au pas de volume maximal inclus.
Il est ainsi obtenu, à l’issue de cette étape, pour chaque pas de volume :
- l’excursion x de la membrane en fonction de l’amplitude du signal d’excitation ;
- la réponse en fréquence du haut-parleur.
Dans un mode préféré de mise en œuvre, le signal d’excitation est un signal à balayage agissant sur une bande de fréquences d’intérêt, par exemple de 20Hz à 200Hz ou de 40Hz à 16 000 Hz.
L’amplitude du signal d’excitation est également connue et dépend du volume du système audio. L’amplitude du signal d’excitation est par exemple égale à -10 dBFS, l’unité dBFS désignant le décibel plein échelle. La vitesse de balayage fréquentiel du signal d’excitation dépend de la capacité du système de mesure à fournir des mesures exactes de l’amplitude avec la précision fréquentielle requise, et doit être choisie de manière à faire apparaître de manière effective les phénomènes acoustiques étudiés (vibrations parasites par exemple). Une vitesse de balayage de 3 secondes/octave peut par exemple être considérée si le système de mesure le permet.
Au cours de l’étape 112 subséquente de détermination d’un indicateur de distorsion et d’un indicateur de vibrations parasites, lesdits indicateurs sont déterminés pour chaque niveau de volume.
L’indicateur de distorsion retenu ici est le taux de distorsion harmonique totale THD (Total Harmonie Distortion en terminologie anglo-saxonne), mais d’autres indicateurs peuvent être utilisés, par exemple le taux de distorsion intermodulation IMD (Inter-Modulation Distortion en terminologie anglo-saxonne).
La mesure du taux de distorsion harmonique totale THD est réalisée en plaçant au moins un microphone au niveau d’une position estimée de la tête du conducteur, en utilisant par exemple un signal d’excitation du type signal à balayage sinusoïdal (« sine sweep » en terminologie anglo-saxonne) couvrant une gamme de fréquences allant de 40Hz à 16 000Hz à -10 dBFS.
Il est suivi le schéma suivant :
- mesure du bruit de fond pour la correction des mesures à venir ;
- réglage du pas de volume, initialement à sa valeur minimale ;
- génération du signal d’excitation ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen du microphone, de laquelle sera déduit l’indicateur de distorsion ;
- mesure de la réponse en déplacement de la membrane au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume.
Ce schéma est ainsi mis en œuvre jusqu’au pas de volume maximal inclus.
Les spécifications sont données par exemple pour quatre niveaux de volume du système audio du véhicule, déterminés par exemple de la manière suivante :
- le niveau de volume « V0 » doit produire un niveau sonore de 65dB(A) aux oreilles du conducteur lors de la diffusion d’un bruit rose à -18dBFS ;
- le niveau de volume « V1 » doit produire un niveau sonore de 75dB(A) aux oreilles du conducteur lors de la diffusion d’un bruit rose à -18dBFS ;
- le niveau de volume « V2 » doit produire un niveau sonore de 85dB(A) aux oreilles du conducteur lors de la diffusion d’un bruit rose à -18dBFS ;
- le niveau de volume « V3 » correspond au niveau de volume maximum du système audio. De manière générale, plus le niveau de qualité de restitution sonore visé est élevé, plus l’objectif de distorsion visé est faible.
Également, en général, un taux de distorsion plus important peut être accepté pour des niveaux de volume élevés.
Les résultats des mesures d’indicateur de distorsion THD sont rassemblés dans une matrice de distorsion à trois dimensions, dont les dimensions sont respectivement les fréquences de mesure, les amplitudes numériques du signal d’excitation corrigées de la loi de volume, c’est-à-dire l’atténuation au pas de volume considéré, et les indicateurs de distorsion THD mesurés au moyen de la réponse en fréquence.
Les vibrations parasites (ou « rattle ») sont un bruit audible et non souhaité, large bande, rayonné par les structures vibrantes reliées au haut-parleur pouvant entrer en vibration lors de son fonctionnement à niveau élevé.
L’indicateur de vibrations parasites retenu ici correspond à une énergie Erattle située dans toutes les fréquences au-delà de la N-ième harmonique de la fréquence d’excitation de la chaîne sonore. D’autres indicateurs peuvent être utilisés, tels que le taux de distorsion résiduelle THD+N (« Total Harmonie Distortion plus Noise » en terminologie anglo-saxonne). Les spécifications liées aux vibrations parasites sont similaires à celles de la distorsion : plus le niveau de qualité de restitution sonore recherché est élevé, plus l’énergie Erattle mesurée doit être faible.
De manière similaire à la distorsion, il est suivi le schéma suivant :
- mesure du bruit de fond pour la correction des mesures à venir ;
- réglage du pas de volume, initialement à sa valeur minimale ;
- génération du signal d’excitation, par exemple de type signal à balayage sinusoïdal (« sine sweep » en terminologie anglo-saxonne) ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen du microphone, de laquelle seront déduits l’indicateur de vibrations parasites ;
- mesure de la réponse en déplacement de la membrane au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume.
Ce schéma est ainsi mis en œuvre jusqu’au pas de volume maximal inclus.
Les mesures réalisées lors de l’étape de mesure 11 sont généralement réalisées en boucle ouverte, c’est-à-dire que le signal d’excitation Se et la réponse mesurée S du haut-parleur ou de la chaîne sonore ne sont pas synchronisés.
La [Fig. 3A] illustre le décalage temporel entre le signal d’excitation Se et le signal mesuré S. Afin de pouvoir post-traiter la mesure avec précision, il est essentiel de pouvoir identifier sur le signal mesuré S le début de la réponse de la chaîne sonore ou du haut-parleur au signal d’excitation.
Les signaux d’excitation Se et de mesure S sont donc réalignés entre eux pour obtenir un signal resynchronisé Sa.
Pour cela, les signaux d’excitation utilisés sont précédés par un décompte correspondant à une succession de bips, afin de pouvoir détecter le début du signal, ce qui est aussi utile pour avertir les opérateurs du début des mesures.
Il est déterminé au moyen d’une corrélation croisée entre le signal d’excitation Se et le signal mesuré S, un écart temporel, ou délai de réponse, entre un bip et la réponse de la chaîne sonore, ou du haut-parleur, audit bip.
Les signaux d’excitation Se et mesuré S peuvent ainsi être réalignés, comme illustré sur la [Fig. 3B], soit par troncation du signal mesuré, soit par une méthode dite de « zero padding » appliquée au signal d’excitation.
Une fois les signaux réalignés, la partie des signaux correspondant aux « bips », ou au décompte, est supprimée.
Si la réalisation des mesures en boucle ouverte simplifie la réalisation des mesures, il convient de noter toutefois que, dans le cadre de l’invention, les mesures réalisées lors de l’étape de mesure 11 peuvent être réalisées en boucle fermée, si le système audio du véhicule le permet (présence par exemple d’un prise jack pour injecter en temps réel un signal audio).
La réponse en fréquence de la chaîne sonore, l’indicateur de distorsion et l’indicateur de vibrations parasites sont déterminés lors de l’étape de détermination 11 au moyen d’une analyse temps-fréquence.
La structure du signal d’excitation étant connue, il est possible d’extraire du signal mesuré l’amplitude de la fondamentale de la réponse en fréquence, pour obtenir la fonction de transfert, des harmoniques pour obtenir l’indicateur de distorsion, et il est possible de réaliser une analyse large bande du bruit pour déterminer l’indicateur de vibrations parasites.
Pour assurer une précision des amplitudes mesurées pour l’indicateur de distorsion THD et la réponse en fréquence, il est avantageusement utilisé une transformée de Fourier à court terme (« STFT » ou Short Time Fourier Transform en terminologie anglo-saxonne). Alternativement, il peut être utilisé une transformées en ondelettes ou par périodigrame. Dans un mode de mise en œuvre, l’analyse est réalisée en bandes d’octave.
Pour des mesures réalisées à faibles niveaux de pression sonore SPL, ou dans des environnements bruyants, le bruit de fond peut introduire des artéfacts dans les mesures de réponse en fréquence, d’indicateur de distorsion et d’indicateur de vibrations parasites. Avantageusement, une mesure du bruit de fond est réalisée avant chaque mesure, comme décrit précédemment, permettant ainsi d’éliminer des artéfacts dans les mesures d’amplitude, par correction de la mesure, ou permettant de déterminer un taux de confiance de la mesure.
Il convient de noter qu’un autre type de signal excitation qu’un signal à balayage sinusoïdal peut être utilisé. Par exemple, un signal de bruit, un signal impulsionnel, ou plus généralement tout signal permettant une exploration fréquentielle sur la bande de fréquences souhaitée pour effectuer la mesure peut être utilisé en lieu et place du signal à balayage sinusoïdal.
Une fois l’étape de mesure 11 terminée, l’étape de gestion des basses fréquences 12 est mise en œuvre. Plus particulièrement, les mesures réalisées lors de l’étape de mesure 11 (e.g. indicateur de distorsion, réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume et indicateur de vibrations parasites) sont utilisés lors de l’étape 12 de gestion des basses fréquences.
Par exemple, l’étape de gestion des basses fréquences 12 comprend :
- une étape d’extension de largeur de bande 120 ;
- une étape de protection du haut-parleur 121.
Au cours de l’étape d’extension de largeur de bande 120, la réponse en fréquence de la chaîne sonore est amplifiée en-dessous d’une fréquence de coupure fc du haut-parleur, de sorte à étendre la largeur de bande de ladite chaîne sonore, et ainsi conserver une réponse fréquentielle aussi plate que possible dans les basses fréquences. L’amplification fréquentielle est contrainte afin de limiter les phénomènes indésirables tels que la distorsion ou les vibrations parasites liés à la liaison mécanique avec le véhicule (« rattle »).
La [Fig. 4A] illustre la réponse en fréquence type d’un haut-parleur, représentée en trait plein, et une réponse en fréquence idéale, représentée par des tirets.
La [Fig. 4B] illustre une réponse en fréquence cible, représentée en traits pointillés, tenant compte des contraintes électriques et mécaniques du haut-parleur, afin de limiter les phénomènes de vibrations parasites, de distorsion, et afin de protéger le haut-parleur. La réponse en fréquence cible définit l’amplitude maximale permettant de satisfaire aux spécifications, en termes de contraintes mécaniques ou de distorsion générée, au niveau de volume considéré.
L’indicateur de vibrations parasites permet de savoir si une vibration parasite peut apparaitre dans la nouvelle bande étendue. Lors de la détermination de la réponse en fréquence cible, l’indicateur de vibrations parasites est pris en compte afin d’éviter l’amplification des phénomènes de vibrations parasites.
Pour cela, il est déterminé un potentiel acoustique pour chaque point de fonctionnement. Le potentiel acoustique correspond, pour une fréquence donnée et au point de fonctionnement donné, à une amplitude maximale autorisée pour le signal au-delà de laquelle l’indicateur de distorsion est supérieur à la spécification. Le potentiel acoustique est donc déduit des mesures réalisées au cours de l’étape 112 de détermination d’un indicateur de distorsion. Comme il a été vu plus haut, les spécifications ne sont généralement définies que pour un nombre fini de niveaux de volume. Les objectifs acoustiques pour les autres niveaux de volume sont interpolés à partir des spécifications connues, en suivant l’évolution de la loi de volume.
Par défaut, le niveau de volume au-dessous (respectivement au-dessus) du niveau de volume minimal (respectivement maximal) donné par les spécifications est associé aux mêmes spécifications que le niveau de volume minimal (respectivement maximal). Une autre convention peut bien entendu être retenue.
Une fois les spécifications définies pour chaque niveau de volume, le potentiel acoustique est calculé pour chacun desdits niveaux de volume, en comparant les mesures d’indicateur de distorsion réalisées lors de l’étape de mesure 11 à la spécification pour le volume considéré.
La connaissance du potentiel acoustique et de l’amplitude du signal au point de fonctionnement considéré, laquelle correspond à l’amplitude numérique du signal d’excitation corrigée de la loi de volume, c’est-à-dire l’atténuation au pas de volume considéré, permet de déduire un gain applicable lors d’une égalisation du signal à diffuser par le haut-parleur, en faisant la différence entre le potentiel acoustique au niveau de volume considéré et l’amplitude du signal d’excitation corrigée de la loi de volume. Il convient de noter que le gain peut être négatif si une protection du haut-parleur est nécessaire.
En effet, la mesure de l’excursion de la membrane, réalisée en parallèle de la mesure de l’indicateur de distorsion au cours de l’étape 112 de détermination d’un indicateur de distorsion, est également comparée à l’excursion maximale xmax du haut-parleur déterminée lors de l’étape 110 de caractérisation du haut-parleur, afin de s’assurer que l’excursion du haut-parleur ne dépasse pas l’excursion maximale.
Il convient de noter que la présence d’un bruit de fond lors des mesures est susceptible, surtout à bas volume et ou si le bruit de fond est important, d’introduire des artéfacts dans la réponse en fréquence de la chaîne sonore. En conséquence, une fréquence fondamentale et ou ses harmoniques sont susceptibles d’être plus ou moins masquées par le bruit de fond, faussant ainsi le résultat de mesure de l’indicateur de distorsion, et ainsi le potentiel acoustique.
Le bruit de fond est donc préférentiellement pris en compte dans les mesures, afin de corriger les signaux mesurés.
Le gain maximal applicable étant connu, un ensemble de filtres est ensuite mis en œuvre. Pour chaque niveau de volume :
- un jeu de paramètres de filtres, comprenant par exemple une fréquence centrale, une fréquence de coupure, un facteur de qualité Q, un gain G, et un type de filtre, est initialisé ;
- le jeu de paramètres est ensuite optimisé, en fonction de la réponse en fréquence non corrigée et la réponse en fréquence cible.
Dans l’exemple décrit ici, il est utilisé un égaliseur à bandes comportant quatre bandes. Cet égaliseur exploite un filtre passe-haut, un filtre de type « low shelf », et deux filtres de type « peak ». Bien entendu, un nombre différent et ou différents types de filtres peuvent être envisagés. Par ailleurs, de tels filtres peuvent être implémentés de manière connue en utilisant une architecture de filtre numérique HR (pour « Infinite impulse Response » en anglais) ou Fl R (pour « Finite impulse Response » en anglais).
L’initialisation dépend du type de filtre considéré, ainsi que de la réponse en fréquence non corrigée et la réponse en fréquence cible.
Les filtres de types passe-haut et « low shelf » sont utilisés essentiellement pour corriger des bandes de fréquences inférieures à la fréquence de coupure du haut-parleur, et les filtres de type « peak » sont essentiellement utilisés pour une bande de fréquence autour de la fréquence de coupure du haut-parleur.
Les valeurs de gain des filtres, données pour la fréquence de coupure ou la fréquence centrale, selon le type de filtre, dépendent du gain applicable déterminé au moyen du potentiel acoustique. Les gains sont par exemple initialisés aux valeurs de gains applicables déterminées précédemment. Le facteur de qualité est initialisé par défaut à 0,707 pour les filtres passe-haut et « low shelf », et à 3 pour les filtres de type « peak ».
Bien entendu, d’autres valeurs peuvent être considérées pour l’initialisation. L’optimisation des paramètres est ensuite réalisée de manière itérative.
Il convient de noter qu’avant toute correction par égalisation, l’indicateur de distorsion est surestimé du fait de la forme naturelle de la réponse en fréquence du haut-parleur. En conséquence, le gain applicable est sous-estimé.
Après application des filtres initialisés, la réponse en fréquence du haut-parleur tend à s’aplatir, entraînant une diminution de la valeur de l’indicateur de distorsion THD. Cette diminution implique qu’une marge supplémentaire de gain est applicable, tout en restant dans les spécifications.
Il est ainsi possible d’ajuster, de manière itérative, les paramètres des filtres, et en particulier le gain, afin d’exploiter la marge supplémentaire de gain applicable.
En revanche, au-delà d’un certain nombre d’itérations, l’indicateur de distorsion THD augmente rapidement, du fait des non-linéarités du haut-parleur.
La [Fig. 5A] et la [Fig. 5B] illustrent un exemple, respectivement de la réponse en fréquence après le processus d’optimisation, et de la courbe d’égalisation appliquée.
Les filtres utilisés dans l’exemple de la [Fig. 5A] sont les suivants :
- filtre passe-haut d’ordre 2, présentant une fréquence de coupure à 42 Hz, et un facteur de qualité de 0,7 ;
- filtre low-shelf présentant un gain de 9dB à 29 Hz et un facteur de qualité de 0,7 ;
- un premier filtre de type « peak » présentant une fréquence centrale de 11 Hz, une atténuation de 1,6 dB à cette fréquence, et un facteur de qualité égal à 3 ;
- un second filtre de type « peak » présentant une fréquence centrale de 63Hz, une atténuation nulle à cette fréquence, et un facteur de qualité égal à 3,763 ;
Les filtres utilisés dans l’exemple de la [Fig. 5B] sont les suivants :
- filtre passe-haut présentant une fréquence de coupure à 23,27 Hz, et un facteur de qualité de 0,7 ;
- filtre low-shelf présentant un gain de 7,038 dB à 25,74 Hz et un facteur de qualité de 0,7 ;
- un premier filtre de type « peak » présentant une fréquence centrale de 83,82Hz, une atténuation de 3,16 dB à cette fréquence, et un facteur de qualité égal à 2 ;
- un second filtre de type « peak » présentant une fréquence centrale de 63,25Hz, un gain de 7,335 dB à cette fréquence, et un facteur de qualité égal à 3,1 ;
Dans un mode de mise en œuvre, les paramètres de filtres obtenus à l’issue de l’optimisation des paramètres de filtres pour un niveau de volume donné sont réutilisés pour un niveau de volume inférieur et ou supérieur. L’étape de protection du haut-parleur 121 est conduite en aval de l’étape d’extension de bande 120, de sorte que le gain apporté dans les basses fréquences lors de l’extension de la bande-passante soit éliminé s’il entraîne des vibrations.
L’objet de cette étape de protection du haut-parleur est de limiter certaines fréquences d’excitation à l’origine de distorsion ou de phénomènes vibratoires parasites par exemple.
Il est connu d’appliquer des filtres statiques pour maîtriser ces phénomènes indésirables. L’inconvénient de tels filtres est qu’ils altèrent le signal même si les niveaux d’amplitude sont faibles et non problématiques du point de vue des phénomènes acoustiques indésirables.
Lors de cette étape, un égaliseur dynamique est mis en œuvre et automatiquement réglé grâce à la caractérisation acoustique qu’il est fait de ces effets indésirables.
L’avantage de l’égaliseur dynamique est qu’il n’est actif que lorsque cela est nécessaire, et n’altère pas le signal lorsqu’il n’est pas nécessaire.
Dans un mode de mise en œuvre, l’égaliseur dynamique comprend trois filtres quadratiques de type coupe-bande présentant chacun une fréquence centrale et un facteur de qualité constants, et un gain dynamique. L’homme du métier comprendra qu’un nombre différent de filtres peut être mis en œuvre ; les types de filtres utilisés peuvent également varier.
Chaque fréquence centrale est définie en fonction du phénomène qu’il convient de maîtriser, et les fréquences centrales dépendent donc notamment des caractéristiques du haut-parleur et de son environnement (panneau de porte par exemple).
Le gain dynamique se déclenche dès lors que le signal franchit une valeur seuil, qui correspond par exemple au potentiel acoustique calculé pour l’indicateur de distorsion THD ou pour l’indicateur de vibrations parasites, c’est-à-dire l’amplitude maximale, à une fréquence donnée, au-delà de laquelle la spécification relative au phénomène acoustique concerné n’est plus respectée.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé 1 comporte également une étape de linéarisation du haut-parleur 122, conduite en aval de l’étape 120 d’extension de bande et en amont de l’étape 121 de protection du haut-parleur.
L’objet de l’étape de linéarisation du haut-parleur est de compenser les distorsions du signal introduites par le comportement du haut-parleur pour des signaux d’amplitude élevée. Pour cela, un modèle temps réel non-linéaire du haut-parleur peut par exemple être utilisé.
Le procédé de gestion des basses fréquences selon l’invention permet :
- d’étendre la bande passante intrinsèque du haut-parleur en égalisant sa réponse en fréquence dans les basses fréquences afin que celle-ci soit aussi plate que possible, en exploitant tout le domaine linéaire du haut-parleur et en limitant l’introduction de distorsion ;
- de diminuer la distorsion tout en augmentant le niveau des basses fréquences en compensant les non-linéarités du haut-parleur avec un signal pré-corrigé, basé sur un modèle non-linéaire du haut-parleur ; - de fournir une protection contre les phénomènes indésirables du type : distorsion, vibrations parasites, en appliquant un filtre dynamique limitant l’amplitude de certaines fréquences, le réglage de cette protection pouvant être réalisé d’oreille ou sur la connaissance d’indicateurs acoustiques relatifs à ces phénomènes. L’invention concerne également un dispositif pour la gestion des basses fréquences d’un haut-parleur.
Le dispositif selon l’invention comporte :
- des moyens pour calibrer la chaîne sonore du véhicule ;
- des moyens pour mesurer des indicateurs acoustiques du haut-parleur ; - des moyens pour étendre la bande-passante du haut-parleur ;
- des moyens pour limiter l’amplitude des fréquences occasionnant des phénomènes acoustiques indésirables.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte également des moyens pour compenser les non-linéarités du haut-parleur. Dans un mode de réalisation, les moyens pour mesurer des indicateurs acoustiques du haut- parleur comprennent un microphone et un laser.

Claims

REVENDICATIONS Procédé (1) de gestion des basses fréquences d’un haut-parleur embarqué dans un véhicule et appartenant à une chaîne sonore dudit véhicule présentant un niveau de volume ajustable, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape de calibration (10) de la chaîne sonore du véhicule, au cours de laquelle des paramètres de la chaîne sonore sont ajustés pour atteindre un ensemble de spécifications ;
- une étape de mesure (11) d’indicateurs acoustiques du haut-parleur au cours de laquelle sont mesurés un ensemble d’indicateurs acoustiques incluant un indicateur de distorsion, l’étape de mesure (11) comportant une étape (110) de caractérisation du haut-parleur au moyen d’un système de mesure, une étape (111) de détermination d’une réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume, une étape (112) de détermination d’un indicateur de distorsion et d’un indicateur de vibrations parasites pour chaque niveau de volume ;
- une étape de gestion des basses fréquences (12), mettant en œuvre lesdits indicateurs acoustiques, la réponse en fréquence et l’indicateur de vibrations parasites, au cours de laquelle une restitution des basses fréquences par le haut- parleur est optimisée. Procédé (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’étape de calibration (10) comprend :
- une étape de détermination d’une signature acoustique d’un habitacle du véhicule ;
- une étape de comparaison de ladite signature acoustique mesurée avec une signature acoustique cible ;
- une étape de détermination de filtres pour diminuer un écart entre ladite signature acoustique mesurée et ladite signature acoustique cible. Procédé (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que l’étape de calibration (10) comprend un pré-réglage préalable réalisé sur des paramètres ajustables de composants dimensionnants de la chaîne sonore. Procédé (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’étape (110) de caractérisation du haut-parleur comprend une calibration du système de mesure et une mesure des paramètres de modélisation du haut-parleur. Procédé (1) selon la revendication 1 ou la revendication 4 caractérisé en ce que le système de mesure comprend un laser et un microphone. Procédé (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que l’étape (111) de détermination d’une réponse en fréquence de la chaîne sonore à chaque niveau de volume comprend les étapes suivantes :
- réglage du pas de volume du système audio du véhicule, initialement à sa valeur minimale ;
- génération d’un signal d’excitation permettant une exploration en fréquence ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen du microphone ;
- mesure d’une excursion d’une membrane du haut-parleur au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume ; lesdites étapes étant répétées jusqu’au pas de volume maximal inclus.
7. Procédé (1) selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce que la détermination des indicateurs de distorsion et de vibrations parasites est réalisée en mesurant une réponse en fréquence au moyen du microphone placé au niveau d’une position estimée de la tête d’un conducteur, et comprend les étapes suivantes :
- mesure d’un bruit de fond ;
- réglage du pas de volume, initialement à sa valeur minimale ;
- génération d’un signal d’excitation de type signal à balayage sinusoïdal ;
- mesure de la réponse en fréquence au moyen du microphone ;
- mesure de l’excursion de la membrane au moyen du laser ;
- incrémentation du pas de volume ; lesdites étapes étant répétées jusqu’au pas de volume maximal inclus.
8. Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les mesures réalisées lors de l’étape de mesure (11) des indicateurs acoustiques du haut-parleur sont réalisées en boucle ouverte, les signaux d’excitation (Se) et de mesure (S) étant réalignées temporellement avant post-traitement.
9. Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les signaux sont post-traités au moyen notamment de transformées de Fourier à court terme.
10. Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’étape de gestion des basses fréquences (12) comprend :
- une étape d’extension de largeur de bande (120) pour rapprocher la réponse en fréquence du haut-parleur d’une réponse en fréquence cible ;
- une étape de protection du haut-parleur (121).
11. Procédé (1) selon la revendication 10 caractérisé en ce que, au cours de l’étape d’extension de largeur de bande (120), il est déterminé un potentiel acoustique, correspondant, pour une fréquence donnée et un point de fonctionnement donné de la chaîne sonore, à une amplitude maximale autorisée pour le signal au-delà de laquelle l’indicateur de distorsion est supérieur à une spécification pour ledit point de fonctionnement, ledit potentiel acoustique étant calculé pour chacun des niveaux de volume, en comparant les mesures d’indicateur de distorsion réalisées lors de l’étape de mesure (11) à la spécification pour le volume considéré. Procédé (1) selon la revendication 11 caractérisé en ce que, au cours de l’étape d’extension de largeur de bande (120), il est appliqué, pour chaque niveau de volume, une égalisation au haut-parleur, dont un gain à une fréquence donnée est donné par un écart entre le potentiel acoustique et la réponse en fréquence mesurée lors de l’étape de mesure (11). Procédé (1) selon la revendication 12 caractérisé en ce que l’égalisation est réalisée au moyen de quatre filtres comprenant un filtre passe-haut et un filtre « low-shelf », utilisés essentiellement pour corriger des bandes de fréquences inférieures à la fréquence de coupure du haut-parleur, et deux filtres de type « peak », essentiellement utilisés pour corriger une bande de fréquences centrée autour de la fréquence de coupure du haut-parleur, un jeu de paramètres des filtres étant initialisé puis optimisé en fonction de la réponse en fréquence cible. Procédé (1) selon la revendication 13 caractérisé en ce que l’optimisation des paramètres des filtres est réalisée de manière itérative. Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications 10 à 14 caractérisé en ce que, au cours de l’étape de protection du haut-parleur (121), il est mis en œuvre un égaliseur dynamique comportant au moins un filtre de type coupe-bande présentant chacun une fréquence centrale et un facteur de qualité prédéterminés et un gain dynamique, chacune des fréquences centrales étant définie en fonction du phénomène acoustique qu’il convient de maîtriser, et ledit gain dynamique se déclenchant dès lors que le signal franchit une valeur seuil. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 15 caractérisé en ce qu’il comporte par ailleurs une étape de linéarisation du haut-parleur (122).
19
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