Brevet FR2466901A1 — publié le 19810410

La présente invention a pour objet un dispositif améliorant les conditions d'écoute des sources sonores utiles dans les milieux bruyants, et dont le ni- veau de bruit varie fréquemment et sensiblement. Dans ces milieux, le confort d'écoute nécessite un ajustage fréquent de la puissance de la source sonore utile. Le dispositif suivant l'invention réalise l'ajustage automatique du niveau sonore de la source utile en fonction du niveau de bruit, de manière à conser- ver intacte la lisibilité du message sonore. Les véhicules automobiles sont l'exemple type de ces milieux à bruyance va- riable et constituent pour la présente invention le débouché potentiel le plus important. Ainsi nous raisonnerons pour décrire l'invention sur le shéma synop- tique d'une réalisation destinée à l'automobile. Il paraîtra évident au lecteur averti que son principe est tout à fait général et peut améliorer les disposi- tifs de sonorisation des salles de spectacles, réfectoires, ateliers... et aussi les installations radio et T.V. de particuliers situés à proximité d'aé- roports, de lignes S.N.C.F., de grandes nationales, etc... Nombre d'inventeurs se sont penchés sur ce problème, et les solutions pro- posées empruntent deux voies distinctes: La première consiste à faire l'inventaire des causes du bruit, de les saisir par des capteurs et de traiter les informations reçues pour commander le gain de la source sonore utile. Par exemple, la marque REELA commercialise un appa- reil (AV 6000) qui asservit la puissance d'un autoradio à la vitesse de rota- tion d'un moteur automobile. Il est évident que ce seul dispositif ne permet pas de résoudre tous les problèmes de bruit d'une voiture. Il faudrait lui ad- joindre un capteur de vitesse de la voiture, de la vitesse et de la direction du vent, de la position des glaces latérales et de l'état de la chaussée!. Cet exemple illustre bien les limites de cette voie qui ne permet de traiter que les cas simples. La seconde voie est plus générale. Elle consiste à réaliser un dispositif sonométrique capable de mesurer le bruit ambiant dans lequel baigne la source utile et à asservir le gain de l'amplificateur de la source utile au résultat de la mesure sonométrique. Le lecteur averti connaît l'obstacle qu'il faut franchir pour que le système fonctionne correctement. En effet, pour que le message sonore soit lisible, son niveau doit être au moins de l'ordre de celui du bruit ambiant. Ainsi, si l'on asservit sans précaution le gain de l'ampli- ficateur de la source utile au résultat de la mesure sonométrique, le système, incapable de distinguer le signal du bruit, confond le premier fortissimo venu avec un bruit intempestif, et, ainsi, s'enclenche un processus de réaction positive qui maintient le système autour de son gain maximum, ce qui n'est évidemment pas le but recherché. 2 2466901 Pour que le système fonctionne correctement, il faut donc le rendre apte à distinguer le signal du bruit. Pour y parvenir, trois moyens ont fait l'objet de demandes de brevet. Le premier supprime le signal pendant des temps très courts, inférieurs à la constante de temps de l'oreille humaine (1/15ème de seconde) et effectue la me- sure du bruit pendant ces temps. Le second préconise de travailler sur certaines fréquences pour le bruit et sur d'autres pour le signal. Selon le troisième, la mesure du bruit ne s'effectue qu'aux moments o le signal descend en dessous d'un certain niveau négligeable devant celui du bruit. Le résultat est gardé en mémoire jusqu'au moment o la mesure suivante devient possible. Aucune de ces trois solutions n'est satisfaisante et ceci pour les raisons suivantes: La première suppose en effet d'opérer dans un local sans réverbération car, dans un local courant, une voiture par exemple, l'intensité sonore y régnant 1/20ème de seconde après la coupure d'un signal n'est que de 4 dB inférieure à son niveau au moment de la coupure. La seconde impose soit de mutiler largement le message sonore, soit de tra- vailler sur des bandes de fréquence de bruit situées en dehors du spectre audi- ble en spéculant sur la composition spectrale du bruit, ce qui ne manque pas d'audace... La troisième est inapplicable en automobile-car les mesures ne seraient pas assez fréquentes eu égard aux vitesses courantes de montée de bruit qui sont de l'ordre de 2 dB/seconde. Ces remarques expliquent en partie qu'aucun dispositif basé sur la mesure sonométrique ne soit - à notre connaissance - exploité commercialement. Les trois méthodes sonométriques ci-dessus exposées ont un point commun elles tentent de séparer physiquement le signal du bruit. Le dispositif suivant l'invention emprunte la voie sonométrique mais se dis- tingue des solutions précédentes en ce que la pression acoustique partielle de bruit n'est pas obtenue par séparation physique du signal et du bruit, mais par calcul analogique en temps réel d'une fonction de la pression acoustique totale et de la pression acoustique de signal. La figure n"I indique le shéma synoptique d'une réalisation suivant l'inven- tion destinée à l'automobile. Le signal d'entrée "S" provenant de la sortie haut-parleur de l'autoradio est appliqué par l'intermédiaire d'un potentiomètre P2,destiné à ajuster les niveaux, à un amplificateur linéaire à gain commandé "A.G.C." lequel pilote un amplificateur de puissance "A.P." délivrant la puissance requise. Dans la réalisation suivant l'invention, l'excursion en tension du gain de 1'A.G.C. est de 26 dB et sa tension de commande est calculée pour que son "décollage" se produise à un niveau de bruit de 64 dB. La limite supérieure d'intervention se situe à un niveau de bruit de 90 dB. Entre ces deux valeurs, la tension de commande ajuste le gain de l'A.G.C. de manière à conserver la valeur du rapport signal/bruit existant au niveau de bruit de 64 dB. Le potentiomètre P2 est réglé de manière à ce que les gains en tension et en puissance de l'ensemble soient de 1 quand le niveau de bruit est inférieur ou égal à 64 dB. Au niveau 90 dB le gain de l'ensemble est de 20 en tension, donc 400 en puissance. Le système permet donc de passer automatiquement d'une puissance de 50mWatt à une puissance de 20 Watts. Examinons maintenant comment est obtenue la tension de commande. Le circuit A.G.C. étant calculé pour que son gain en tension soit propor- tionnel à la tension de commande, notre système fonctionnera correctement si on lui applique une tension de commande proportionnelle à la pression acousti- que partielle de bruit régnant dans le local.. Ainsi la puissance électrique aux bornes du haut-parleur - donc l'intensité sonore du signal mesurée en phones - varie en raison quadratique de cette tension et compense la variation de l'intensité sonore du bruit. Nous savons en effet que l'intensité sonore est une fonction quadratique de la pression acoustique de bruit. Le rapport des intensités sonores de signal et de bruit sera donc conservé. Aux bornes d'un micro "M' placé à proximité de l'auditeur, nous recueillons en fonctionnement normal une tension VM composée en fonctionnement normal de signal et de bruit. Cette tension est proportionnelle à la pression acoustique totale PT régnant dans le local. Dans la mesure o les pressions acoustiques partielles de signal et de bruit ne sont pas corrélées, nous avons la relation PT2 = PS2 + PBt o PS et PB désignent respectivement les pressions acoustiques partielles de signal et de bruit. Et nous avons de manière analogue VM? = VSM + VBM' o VSM et VBN représentent les tensions partielles de signal et de bruit re- cueillies par le micro. Cette tension VII est amplifiée à travers "A.M" puis traverse un filtre correcteur sur l'utilité duquel nous reviendrons. Puis elle est redressée dans D2 (sans seuil) et intégrée en R2C2 avec une constante de temps de 6 secondes (non critique). Nous obtenons donc en E2 une tension continue VE IL= ^VSM^ + VBM)2 o n2est une constante. D'autre part, nous prélevons une tension de signal après l'A.G.C. par exem- ple auuz bornes du baut-pcrleur. Cessée pension est amenée à travers Pl filtrée suivant F'C cot 7 à- redr:essée en DI et intégrée en RICI avec la même cons- 4 2466901 tante de temps de 6 secondes. Nous obtenons donc en El une tension continue proportionnelle au signal. VEI = nVSA En l'absence de bruit, avec des transducteurs et une acoustique parfaits, VSM et VSA sont rigoureusement proportionnelles et nous pouvons obtenir par ajustage de PI une égalisation parfaite des tensions en El et E2 VEI = VE2 = nVS Si maintenant nous ajoutons du bruit, nous obtenons En El: VEI = n.VS (1) En E2: VE2 = n. (VS1 + VBz)Y- (2) Nous avons vu que pour commander l'A;G.C. il nous fallait obtenir une ten- sion proportionnelle à la tension de bruit VB. - Des relations (1) et (2) il est mathématiquement aisé de tirer n.VB = (VE2i - VEI)/- (3) Par un choix judicieux de n, n.VB peut être parfaitement apte à piloter notre A.G.C. Il ne nous reste donc plus qu'à réaliser un petit calculateur analogique capable de calculer la différence quadratique entre deux tensions. Actuellement la méthode la moins coûteuse consiste à faire la somme de VEI et VE2 dans un circuit sommateur, puis leur différence dans un circuit de dif- férence, de multiplier les deux tensions obtenues dans un circuit multiplica- teur et d'extraire la racine carrée de la tension obtenue dans un circuit aménagé à cet effet (circuit multiplicateur convenablement bouclé). Il est évident que la méthode de calcul pourra varier en fonction de l'évolution de la technologie des composants électroniques. Dans un avenir proche, il sera d'ailleurs possible d'effectuer ce calcul avec un seul circuit intégré et un minimum de composants périfériques. Cette tension de bruit n.VB que nous obtenons par calcul, est notamment celle que nous pouvons obtenir en l'absence de signal. Le fonctionnement irigou- reux de notre dispositif est donc aisément vérifiable à chaque instant en cou- pant le signal. Maintenant, que se passe t-il dans la pratique lorsque nous utilisons des éléments imparfaits, c'est-à-dire des transducteurs non linéaires en fréquence et un local acoustique réverbérant ? Le lecteur averti sait que dans ces con- ditions, des essais en fréquences fixes font apparaître des différences de rendement de l'ordre de 25 dB de la chaîne transductrice. Ainsi le rapport VSM/VSA varie avec la fréquence, ce qui entraîne des erreurs sur le calcul de 2466901 VB et donc des excursions intempestives de la tension de commande de gain. Heureusement, dans la pratique, un certain nombre de facteurs vont jouer en notre faveur et simplifier la tache du filtre (FC, F'C) dont le r8le est de linéariser en fréquence la courbe de réponse de la chaine transductrice. Ces facteurs favorables sont les suivants: 1 ) Afin de compenser la variation de sensibilité de l'oreille avec les fréquences, nous devrions en toute rigueur adopter en FC et F'C des filtres dont la courbe de réponse serait celle adoptée dans les mesures de bruits et normalisée "A". Cette courbe-en cloche avec fréquences de coupure à 500 Hz et 10.000 Hz présente notamment des affaiblissements de 20 dB à 100 Hz et 10 dB à 20.000 Hz. Dans la pratique, nous avons pu couper à 12 dB par octave à 500 Hz et 4. 000 Hz et ne garder que les fréquences de bruit situées entre ces deux limites sans conséquences néfastes quant à l'évaluation du bruit. Le lecteur averti aura compris que cette opération nous a fait-parcourir plus des trois-quarts du chemin. ) Un local se comporte beaucoup mieux pour les messages sonores courants que pour les fréquences fixes car les fréquences privilégiées n'ont pas le temps de s'établir en ondes stationnaires. La focalisation de l'intensité so- nore sur des ventres de pression acoustique disparait, et le micro ne se trouve plus alternativement dans un ventre ou dans un noeud de pression comme c'est le cas quand nous travaillons sur fréquence glissante. ) La constante de temps de 6 secondes a été choisie comme celle qui con- venait le mieux à l'automobile. Elle permet de suivre sans problème les montées et descentes de niveau afférentes aux accélérations et ralentissements de la voiture et amortit considérablement l'influence des bruits importants mais éphémères dont la prise en compte se révélerait être plus un inconvénient qu'un avantage pour le confort d'écoute. De la même manière, cette constante de temps va réduire considérablement les erreurs instantanées de calcul de la tension de bruit et, ainsi, le dis- positif peut supporter des erreurs de calcul de plus de 10 dB pendant près de 2 secondes, ce qui pratiquement n'arrive jamais. Ainsi, avec un seul filtre passe-bande 500-4.000 Hz, il n'a pu être décelé à l'oreille d'excursion gênante sur plusieurs heures d'écoute avec le même dispositif adapté sur des véhicules et des haut-parleurs différents. Il n'en reste pas moins vrai que les résultats n'en seront que meilleurs avec un filtre adapté au véhicule et aux transducteurs. La description du dispositif a été faite en monophonie. Dans un dispositif polyphonique le micro sera placé au barycentre des sources utiles et il sera prélevé sur chaque amplificateur une tension de signal. Il en sera fait la 6 2466901 moyenne qui sera appliquée en PI. Il y aura autant d'A.G.C. que de canaux mais un seul calculateur. Dans une. variante, la tension de signal pourra être recueillie aux bornes de la bobize réceptrice d'un haut-parleur à deux bobines du type utilisé dans les enceinties asservies. En effet, cette tension est plus proche de celle du micro que lia tension alimentant la bobine motrice, donc, l'erreur commise dans le calcul de VB s'en trouve diminuée. Mais cette formule, outre qu'elle nécessite uin haut-parleur plus coûteux, supprime un avantage du dispositif que nous avens passé sous silence: lorsque les haut-parleurs travaillent à leur limite de saturation, leur rendement décroît, la tension VSM croît moins vite que VSA. Le système se déséquilibre, pert du gain, la dynamique est com- primée et l'écoute plus agréable. La présente invention pourra trouver trois formes d'application principales La première est un amplificateur de puissance automatique s'adaptant sans modification des installations existantes. Dans ce cas, dans le double souci de préserver la garantie des appareils et de faciliter le montage, le dispo- sitif s'intercalera entre les sorties haut-parleur de l'installation et les haut-parleurs eux-mêmes. La seconde est un circuit venant s'intercaler au niveau du potentiomètre de puissance des appareils existants. Il peut être intérieur ou extérieur à l'appareil et utilise son amplificateur de puissance. Dans les deux cas, son adaptation doit être prévue par le fabricant de l'appareil. La troisième est un pré-équipement du local. Dans ce cas, le local, une automobile par exemple, est pré-équipé d'un dispositif comportant un amplifi- cateur à commande automatique de gain et un système de haut-parleurs, instal- lation que les clients peuvent compléter avec des tuners et autres lecteurs de leur choix. Cette solution permet de mettre le micro dans une position acoustiquement idéale, ce qui n'est pas toujours possible en postéquipement. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif permettant l'ajustage automatique du niveau des sources sono-- res utiles dans les milieux à bruyance variable caractérisé par le fait qu'il comporte un amplificateur à gain commandé par une tension nVB proportionnelle à la pression acoustique partielle de bruit. 20) Dispositif suivant la revendication I caractérisé par le fait que la ten- sion VB qui ne peut être saisie physiquement en temps réel sans altération du signal est suivant l'invention calculée comme le résultat de l'opération mathématique nVB = n(VM - VS V2- ) Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que VM est une tension proportionnelle à la pression acoustique totale composée de signal et de bruit, et que VS est une tension proportionnelle au signal ajustée au niveau de VM en l'absence de bruit. 4 ) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'opéra- tion mathématique est effectuée en temps réel par tout moyen de calcul appro- A5 prié et de préférence par calcul analogique. ) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la tension VM est obtenue par un capteur de pression acoustique et la tension VS est une tension de signal prélevée en tout endroit approprié et de préférence aux bor- nes des bobines motrice ou réceptrice du ou des haut-parleurs diffusant le signal. 6 ) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comporte un filtre destiné à lingariser en fréquence la courbe de répon- se de la chaîne transductrice de manière à réduire les erreurs de calcul, et une constante de temps de manière à en minimiser les conséquences.