Brevet FR2607344A1 — publié le 19880527

"Dispositif de traitement d'un signal électrique audiofréquence" L'invention se rapporte à un dispositif de traitement ou de précorrection d'un signal électrique audiofréquence, délivré, par exemple, à la sortie d'un amplificateur et normalement destiné à être appliqué à un transducteur à haut rendement comme par exemple un haut-parleur à chambre de compression spécialisé dans la reproduction des sons émis dans la gamme des fréquences dites 'haut médium et aiguës". L'invention concerne plus particulièrement un perfectionnement permettant de précompenser les déphasages variables subis par l'onde acoustique émise, résultant des non linéarités de réponse du milieu de propagation (c'est-à-dire l'air) qui prennent essentiellement naissance au-delà du transducteur. Un milieu de transmission comme l'air a un comportement non linéaire, spécialement lorsque les amplitudes des vibrations acoustiques qui lui sont appliquées sont importantes. Ce phénomène est particulièrement audible et gênant, lorsque le transducteur est, par exemple, un hautparleur à chambre de compression, donc à rendement élevé. Dans ce cas, on a pu observer l'apparition d'un taux élevé de distorsion dû à des composantes harmoniques parasites particulièrement gênantes dans la gamme des fréquences mentionnées ci-dessus. Or, c'est précisément la gamme de fréquences pour laquelle un haut-parleur à chambre de compression est plus particulièrement destiné. Les constructeurs de tels hauts-parleurs, se sont efforcés de concevoir leur dispositif de façon à réduire le plus possible de telles distorsions, mais les tentatives faites dans ce domaine n'ont pas donné de résultat totalement satisfaisant, notamment parce qu'il est apparu nécessaire de faire un compromis entre deux exigences contradictoires concernant les dimensions du transducteur et du pavillon associé, à savoir: 2- - Obtenir une réponse étendue et un bon contrôle de directivité implique des dimensions réduites, - Obtenir un faible taux de distorsion implique au contraire d'augmenter la section de la egorge" du transducteur (au voisinage de la chambre de compression) puisqu'à puissance acoustique donnée, l'intensité dont dépend la distorsion est inversement proportionnelle à la section. L'invention résulte de l'étude des phénomènes de distorsion dans de tels transducteurs. On a ainsi pu faire les observations suivantes: - la quasi-totalité des déformations de l'onde sonore dues à la non linéarité de l'air, se produit entre le transducteur et la sortie du pavillon. Au-delà, l'onde se propage normalement sans déformation (distorsion) supplémentaire notable. - la déformation de l'onde sonore créée (par rapport au signal électrique qui la provoque) peut se décrire comme étant un déphasage variable (c'està-dire une succession de "retards" ou "d'avances") de certaines parties de l'onde sonore, dépendant de l'intensité sonore. Le principe de base de l'invention consiste donc à prévoir (à calculer) l'évolution de telles déformations de l'onde sonore, pour appliquer des retards variables compensateurs sur le signal électrique destiné à exciter le transducteur. Dans cet esprit, l'invention concerne essentiellement un dispositif de traitement d'un signal électrique destiné à être appliqué à un transducteur électro-acoustique, notamment un transducteur à haut rendement comme par exemple dans un haut-parleur à chambre de compression, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour retarder ledit signal ou un signal dérivé de celui-ci, d'une valeur variable dépendant de son amplitude, cette valeur évoluant pour compenser sensiblement un déphasage de propagation variable subi par l'onde sonore engendrée par ledit transducteur. On peut envisager de réaliser un tel dispositif dans une version entièrement analogique. Dans ce cas, les moyens pour retarder le signal seront réalisés à partir de filtres passe-tout déphaseurs, à amplificateurs opérationnels. Dans la pratique, cependant, on envisage surtout de procéder à partir d'un échantillonnage du signal, en calculant simultanément la valeur du retard à affecter à chaque échantillon du signal. De façon plus précise, l'invention concerne donc aussi un dispositif de traitement d'un signal électrique selon la définition qui précède, caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens échantillonneurs recevant ledit signal, ou signal dérivé et délivrant des échantillons successifs de celui-ci à sa sortie, - des moyens de calcul dont une entrée est reliée à ladite sortie desdits moyens échantillonneurs, lesdits moyens de calcul élaborant des signaux de sortie représentatifs de retards à appliquer respectivement auxdits échantillons, chaque retard calculé étant fonction de l'amplitude de l'échantillon correspondant, et - des moyens formant ligne à retard variable comportant une entrée de pilotage reliée à la sortie des moyens de calcul et une entrée de signal reliée à la sortie desdits moyens échantillonneurs. Les moyens formant ligne à retard peuvent, quant à eux, être agencés autour d'une mémoire-tampon après conversion analogique-numérique, comme on le verra plus loin, ou bien mettre en oeuvre des composants à transfert de charges ou à capacités commutées tels que ceux connus sous l'appellation "CCD", ce qui évite la conversion analogique-numérique et la reconversion numérique-analogique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un haut-parleur à chambre de compression auquel s'applique plus particulièrement l'invention; - la figure 2 est un schéma-bloc d'un mode de réalisation possible d'un dispositif de traitement de signal conforme à l'invention; et - la figure 3 est un schéma-bloc simplifié illustrant une variante possible du dispositif de traitement de signal. En se reportant aux dessins, on a représenté un haut-parleur à chambre de compression 11, classique, plus particulièrement concerné par l'invention. Celui-ci comporte un transducteur comportant une bobine mobile 12 susceptible de se déplacer- dans l'entrefer d'un bloc magnétique 16 comprenant un aimant permanent 13 et solidaire d'un dôme 14, ici concave, rattaché au bloc 16 par l'intermédiaire d'une suspension annulaire souple 15. Le bloc 16 renferme une pièce tronconique 17 munie de canaux 18, ici de forme annulaire, débouchant au voisinage du dôme 14 sur une surface convexe 19 définissant, avec le dôme 14, une chambre de compression 22. Le haut-parleur est complété par un pavillon rigide 20 raccordé à l'avant du bloc 16 à un orifice 21 communiquant avec les canaux 18. Le pavillon 20 peut être de type exponentiel, ou conique. On trouvera plus loin des exemples concrets concernant ces deux formes, mais il est bien évident que l'invention peut s'appliquer, avec la même méthodologie, à un hautparleur comportant un pavillon de forme quelconque. La chambre de compression 22 est ainsi définie entre la surface du dôme 14 et la surface convexe 19. Dans la suite du texte, certaines relations seront exprimées en fonction d'une distance x. Physiquement, cette distance représente l'abscisse d'un point considéré le long de l'axe de propagation de l'onde sonore 0O, l'origine se situant à l'extrémité avant de la chambre de compression. Comme indiqué plus haut, on ne prend en considération' que les déformations de l'onde sonore qui prennent naissance entre l'origine et l'extrémité libre du pavillon de longueur Si on considère un onde acoustique plane dont la Si on considère une onde acoustique plane dont la vitesse acoustique en un point d'abscisse à = O est une fonction quelconque du temps V0 (t), la fonction V ( o 'est une constante. La comparaison terme à terme, de ces deux expressions permet de discerner le principe de base mis en oeuvre dans le cadre de l'invention puisque, à un retard x/CO prédéterminé en fonction de la distance, dans le cas linéaire, correspond un retard: x + 1 c0+ 2 V0 lorsqu'on tient compte de la non linéarité du milieu de propagation. Par conséquent, tout se passe comme si l'onde acoustique en un point fixe quelconque était déformée ou. modulée par des retards ou des avances variables dépendant de la vitesse V0 à l'origine. L'invention permet de corriger ce phénomène en appliquant des retards variables compensateurs au signal électrique appliqué au transducteur lui-même. La détermination de la déformation globale à considérer à la sortie du pavillon (puisqu'on peut négliger les déformations de non linéarité engendrées entre la sortie du pavillon et l'auditeur) peut se faire par un calcul d'intégration qui tient compte de la forme de ce pavillon. - En particulier, on peut caractériser la forme du pavillon en exprimant la variation d'amplitude v(à) de la vitesse au cours du trajet OZ de propagation. En effet, si la forme du pavillon peut être associée à une fonction analytique S(x) exprimant la variation de section du pavillon le long de l'axe O, on peut en déduire une fonction v(x) caractérisant la variation d'amplitude de la vitesse au cours du trajet Ox de propagation. Dans un certain nombre de cas, la fonction de retard peut être alors obtenue elle-même sous une forme analytique relativement simple. Ainsi, pour un pavillon conique de longueur L et de section de gorge S, défini par la relation S(X) =S O.() _ ot dans laquelle x0 est une constante caractéristique du pavillon, on obtient: 5(,x)= 1 o x0 L ( Log+) (1) 0 C0 C+ o est une variable telle que: Log 1 y + 1 VO 2 C0 Pour un pavillon exponentiel de longueur L et de section de gorge So, défini par la relation Mx S(x) = S O.e dans laquelle m est une constante caractéristique du pavillon, on a: 1 +Mc0 exp(-mL)> /tû '401L,m) = C+ -eLog ( î surface 19. L'application d'une méthode de calcul similaire peut être étendue à d'autres formes de pavillon, les deux formes mentionnées étant les plus classiques: on aboutit alors à d'autres expressions analytiques de la fonction t La détermination de la fonction t peut également être effectuée de façon expérimentale en mesurant directement la déformation de l'onde en sortie du pavillon. On pourra alors établir une fonction mathématique approchée exprimant la relation entre les valeurs de 'tmesurées et les valeurs correspondantes de Vo. Cette méthode permet notamment d'appliquer le dispositif de correction défini par l'invention à toutes formes de pavillons complexes. Les moyens de calcul précités pourront dès lors être adaptés pour reproduire électriquement la forme de la fonction celui-ci et proportionnel à la vitesse acoustique Vo(t). Ceci est obtenu physiquement en appliquant le signal électrique à un premier filtre H ayant au moins approximativement une fonçtion de transfert équivalente à celle dudit transducteur. Autrement dit, H est l'équivalent électrique de la fonction de transfert du transducteur, chambre de compression comprise. La détermination de la structure et des valeurs des composants électriques d'un tel filtre est à la portée de l'homme du métier connaissant les paramètres mécaniques des éléments constitutifs du transducteur. Enfin, des moyens formant ligne à retard variable, pilotés par les moyens de calcul et recevant le signal délivré par le filtre H, complètent la structure de base d'un dispositif de traitement de signal conforme à l'invention. Un dispositif complet de ce genre est illustré par le schéma de la figure 2. Sur ce schéma, le dispositif de traitement de signal électrique 30 est inséré dans son ensemble entre un moyen d'élaboration du signal électrique e(t), en l'occurrence ici un pré-amplificateur basse fréquence 32, et le transducteur du haut-parleur à chambre de compression 11 décrit plus haut. Un amplificateur de puissance AP, linéaire, est cependant inséré entre la sortie du dispositif de traitement et le haut-parleur 11. Dans le dispositif de traitement de signal, on reconnaît le filtre H, les moyens de calcul C "simulant" électriquement l'une des relations indiquées ci-dessus, en l'occurrence ici la relation (2) relative à un haut-parleur à pavillon exponentiel, et les moyens formant ligne à retard variable T comportant une entrée de pilotage 34 reliée à la sortie 36 des moyens de calcul C et une entrée de signal 38 reliée à la sortie du premier filtre H via des moyens échantillonneurs 40. La sortie des moyens échantillonneurs est aussi reliée à l'entrée 42 des moyens de calcul, de sorte que le signal transformé par le filtre H et représentatif de la vitesse de l'onde sonore "à corriger" est appliqué à la fois à l'entrée des moyens de calcul C et à l'entrée des moyens formant ligne à retard T. La sortie 44 de ces derniers est reliée à un second filtre H1, ce second filtre ayant au moins approximativement une fonction de transfert inverse de celle dudit premier filtre H. Dans une version simplifiée, on pourrait envisager de n'intercaler que les moyens formant ligne à retard T entre le pré-amplificateur 32 et le transducteur 11. La boucle de commande desdits moyens formant ligne à retard (comportant seulement un montage en cascade du premier filtre H et des moyens de calcul C) serait connectée entre la sortie de l'amplificateur 32 et l'entrée 34. Revenant maintenant plus particulièrement à la version de la figure 1, on va décrire plus en détails, la réalisation de chacun des sous-ensembles identifiés plus haut. Le filtre H, comme mentionné ci-dessus, n'est que la "transcription" électrique de la fonction de transfert du transducteur 11. Son signal de sortie y(t) est donc représentatif de l'onde acoustique élaborée par le transducteur 11 jusqu'à la sortie de la chambre de compression. Il comporte une branche série comprenant une résistance R1, une self L1 et une capacité C1, suivies d'une branche en dérivation vers la masse, comprenant un condensateur C2 et une résistance R2 en parallèle. L'ensemble de ces deux branches est inséré entre deux amplificateurs adaptateurs A1 et A2, de gain unité. Comme mentionné précédemment, le calcul des composants passifs R1, L1, C1, C2, R2 est à la portée de l'homme du métier connaissant la fonction de transfert du transducteur jusqu'à la chambre de compression. -1 Le second filtre H a une fonction de transfert inverse de celle du filtre H. Il est composé à partir de trois amplificateurs opérationnels A3, A4, A5. Selon l'exemple, le signal délivré par le moyen formant ligne à retard est appliqué aux entrées respectives d'un filtre passe-haut du second ordre cablé autour de l'amplificateur opérationnel A3 et d'un filtre passe-bas du second ordre cablé autour de l'amplificateur A4. Les deux sorties de ces filtres sont appliquées à un circuit sommateur classique via deux résistances R3, R4 connectées à l'entrée inverseuse de l'amplificateur A5 lequel est muni d'une résistance de contreréaction R. Le filtre passe-haut comporte un c branchement en série de deux condensateurs C3, C4, connectés à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur A3, une résistance R5 connectée entre cette entrée et la masse et une résistance R6 connectée entre le point commun des deux condensateurs et l'entrée inverseuse de l'amplificateur. Ce dernier est soumis à une contreréaction totale. De façon analogue, le filtre passebas comporte un branchement en série de résistances R7, R8 connectées à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur A4, un condensateur C5 connecté entre cette entrée et la masse et un condensateur C6 connecté entre le point commun des deux résistances et l'entrée inverseuse de l'amplificateur A4. Ce dernier est soumis à une contreréaction totale. Dans l'exemple représenté, les moyens formant ligne à retard variable comportent un montage en cascade comprenant un convertisseur analogiquenumérique 48 dont l'entrée est confondue avec l'entrée 38 et est donc reliée à la sortie de. l'échantillonneur 40, une mémoire tampon 50 et un convertisseur numériqueanalogique 52. La mémoire 50 comporte une entrée de commande d'écriture 51 pilotée par le convertisseur 48 pour inscrire les données à un rythme prédéterminé et une entrée de commande de lecture confondue avec l'entrée de pilotage 34. Les impulsions présentées à cette entrée dépendent du signal délivré par les moyens de calcul et ces impulsions organisent la lecture de la mémoire à un rythme variable. Ladite mémoire tampon 50 est par exemple du type connu sous l'abréviation "FIFO" qui signifie que les premières informations écrites dans cette mémoire sont aussi les premières informations à en sortir après un retard variable dépendant de la fréquence des impulsions appliquées à l'entrée de commande de lecture. Le signal reconstitué sous forme analogique à la sortie du convertisseur 52 est appliqué à l'entrée du filtre H 1 avant d'être transmis au transducteur 11. L'ensemble de la mémoire 50 et des deux convertisseurs 48 et 52 pourrait être remplacé par un montage en cascade de composants à capacités commutées (type "CCD"). Les moyens de calcul C reçoivent successivement des échantillons du signal, y(t). Ils comportent un premier étage d'amplification 60 comprenant un amplificateur opérationnel A6 et deux résistances R9, R10. La résistance R9 est connectée entre l'entrée 42 et l'entrée inverseuse de l'amplificateur A6. R10 est une résistance de contreréaction. Le gain de l'amplificateur A6, défini par les résistances R9 et R10 est représentatif de la constante: + 1 2 C0 La sortie de cet étage d'amplification'60 est donc représentative de i 0 pour chaque échantillon délivré par l'échantillonneur 40. Cette sortie est reliée aux entrées de deux circuits sommateurs 61, 62. Le circuit 61 comporte une résistance R11 connectée entre la sortie de l'étage 60 et l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel A7 et une résistance R12 connectée entre une référence de tension. RE1 et la même entrée inverseuse. R13 est une résistance de contreréaction. Une résistance R14 est connectée entre l'entrée non inverseuse de l'amplificateur A7 et la masse. La référence de tension RE1 est représentative de la valeur 1 et les valeurs des résistances sont choisies pour élaborer une tension représentative de 1 + i0. Le circuit sommateur 62 comporte un amplificateur opérationnel A8 et des résistances R15 à R19 connectés respectivement comme l'amplificateur A7 et les résistances R11 à R14. Les valeurs des résistances sont choisies pour élaborer une tension représentative de: 1 + 0 exp (-mL) Les deux sorties des circuits sommateurs sont connectées par des résistances respectives R20, R21 aux deux entrées d'un circuit connu 65 comprenant deux amplificateurs logarithmiques et un amplificateur différentiel. Ce circuit élabore donc une tension représentative de: mC0 1 + 0 J (1t + 0 exp (_mL) Cette tension est appliquée à une entrée d'un autre circuit sommateur 66 comportant un amplificateur opérationnel A9 et des résistances R22-R25 connectées comme les résistances R11-R14. La résistance R23 est reliée à une référence de tension RE2-représentative de la valeur 1/C0. La sortie de l'amplificateur A9, confondue avec la sortie 36, est donc représentative du retard't' à appliquer dans le cas d'un haut-parleur à pavillon exponentiel. La sortie 36 est reliée à un diviseur analogique 68, connu en soi, polarisé pour élaborer une tension de sortie représentative de 1/? (ayant la dimension d'une fréquence) et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un convertisseur tension-fréquence 70 fournissant des impulsions à l'entrée de commande de lecture 34 desdits moyens formant ligne à retard variable T. Le retard constant à appliquer systématiquement aux échantillons qui traversent ces moyens formant ligne à retard, peut être traduit par un monostable intégré au convertisseur 70 et en faisant fonctionner la lecture de la mémoire 50 à partir des flancs arrière des impulsions. Le fonctionnement découle avec évidence de la description qui précède. Le signal délivré par l'amplificateur 32 est filtré par le premier filtre H avant d'être échantillonné. Chaque échantillon est retardé d'une valeur variable calculée simultanément par les moyens de calcul C, en fonction de sa propre amplitude. Les échantillons ainsi traités sont ensuite successivement appliqués au haut-parleur 11, via le second filtre H- Pour éviter tout risque d'adjonction de bruits de commutations parasites entre le pré-amplificateur 32 et le haut-parleur 11, on peut adopter le montage de la figure 3. Selon cette variante, le dispositif de précorrection 30a est analogue à celui qui vient d'être décrit ci-dessus en référence à la figure 2 mais il est connecté dans une boucle de correction 76 établie en dérivation par rapport au cheminement du signal entre la sortie de l'amplificateur 32 et le haut-parleur 11. Seul un moyen formant ligne à retard constant TO est connecté entre la sortie de l'amplificateur 32 et l'entrée d'un amplificateur sommateur 78 dont la sortie alimente le haut-parleur 11. La sortie du circuit de précorrection est combinée, via un amplificateur différentiel 80 avec la sortie du moyen formant ligne à retard TO et le signal résultant constituant un signal de correction est appliqué à une autre entrée de l'amplificateur sommateur 78. REVENDICATIONS 1- Dispositif de traitement d'un signal électrique destiné à être appliqué à un transducteur électro-acoustique, notamment un transducteur à haut rendement comme par exemple dans un haut-parleur à chambre de compression (11), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (T) pour retarder ledit signal (e(t)) ou un signal dérivé (y(t)) de celui-ci, d'une valeur variable dépendant de son amplitude, cette valeur évoluant pour compenser sensiblement un déphasage de propagation variable subi par l'onde sonore engendrée par ledit transducteur. 2- Dispositif de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens échantillonneurs (40) recevant ledit signal ou signal dérivé et délivrant des échantillons successifs de celui-ci à sa sortie, - des moyens de calcul (C) dont une entrée (42) est reliée à ladite sortie desdits moyens échantillonneurs, lesdits moyens de calcul élaborant des signaux de sortie représentatifs de retards à appliquer respectivement auxdits échantillons, chaque retard calculé étant fonction de l'amplitude de l'échantillon correspondant, et - des moyens formant ligne à retard variable comportant une entrée de pilotage (34) reliée à la sortie des moyens de calcul et une entrée de signal (38) reliée à la sortie desdits moyens échantillonneurs (40). 3- Dispositif de traitement selon la revendication 2,- caractérisé en ce qu'un premier filtre (H) est inséré en amont desdits moyens de calcul, ce filtre ayant au moins approximativement une fonction de transfert équivalente à celle dudit transducteur. 4- Dispositif de traitement selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier filtre (H) est inséré à la fois en amont desdits moyens de calcul (C) et desdits moyens formant ligne à retard variable (T). 5- Dispositif de traitement selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un second filtre (H 1) est inséré en aval desdits moyens formant ligne à retard, ce second filtre ayant au moins approximativement une fonction de transfert inverse de celle dudit premier filtre. 6- Dispositif de traitement selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens formant ligne à retard (T) comportent un montage en cascade d'un convertisseur analogique-numérique (48) dont l'entrée est reliée à la sortie dudit échantillonneur, d'une mémoire tampon (50) comportant une entrée de commande d'écriture (51) et une entrée de commande de lecture (34) et d'un convertisseur numérique-analogique (52), ladite entrée de commande de lecture étant reliée à la sortie desdits moyens de calcul (C), via un convertisseur tension-fréquence (70). 7- Dispositif de traitement selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens formant ligne à retard (T) sont essentiellement constitués d'un montage en cascade de composants à capacités commutées ou "CCD". 8- Dispositif de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est inséré dans son ensemble entre un moyen d'élaboration du signal électrique (32) et ledit transducteur (11)(figure 2). 9- Dispositif de traitement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est inséré dans une boucle de correction (76) établie entre un moyen d'élaboration du signal électrique (32) et une entrée d'un moyen sommateur (78), une autre entrée dudit moyen sommateur étant relié audit moyen d'élaboration de signal via un moyen formant ligne à retard constant (To).