Brevet FR2985144A1 — publié le 20130628

Nouveau dispositif de reproduction sonore stéréophonique pour véhicule automobile et véhicule ainsi équipé. Le procédé stéréophonique permet la création d'une image sonore continue et homogène à partir de deux sources ponctuelles à condition que les auditeurs soient à égale distance de ces deux sources. Or, dans les automobiles de conception classique cette condition n'est pas respectée ce qui entraîne des distorsions de niveau et de phase entre les canaux qui perturbent profondément la reproduction de l'image stéréophonique, et le son semble le plus souvent provenir de l'environnement immédiat du haut-parleur le plus proche de l'auditeur. Tous les autoradios sont équipés d'un réglage de 20 balance permettant de corriger la distorsion de niveau et certains sont équipés d'un réglage d'alignement temporel permettant d'agir sur la distorsion de phase. Ces deux réglages ont pour inconvénient que leurs 25 actions sont asymétriques en améliorant les conditions d'écoute pour les auditeurs situés d'un côté de l'habitacle et en les dégradant pour ceux situés de l'autre côté. La présente invention concerne un procédé et un 30 dispositif permettant d'améliorer l'image sonore stéréophonique simultanément pour deux auditeurs situés côte à côte dans les automobiles équipées d'un dispositif de reproduction stéréophonique de conception classique. 35 Nous appellerons dans ce qui suit « phase stéréophonique » la différence de phase acoustique entre les deux canaux dans une zone d'audition: La présente invention se propose d'améliorer l'image 40 sonore simultanément pour deux auditeurs situés côte à côte en introduisant un filtre de phase diminuant symétriquement pour chacun d'eux, la distorsion de phase stéréophonique. Si cl) est la distorsion de phase stéréophonique pour un auditeur à une fréquence donnée et a le déphasage provoqué par un filtre symétrique de phase stéréophonique, la condition de symétrie d'un tel filtre s'écrit : (1) + a - - a ± 27c D'où a = ± n Un filtre de phase stéréophonique symétrique pour les deux positions d'écoute est donc un filtre qui ne produit que des déphasages de 180° entre les canaux. L'avantage du filtre symétrique est qu'il donne le même résultat quelle que soit la position du conducteur et que l'on a donc pas à se soucier de la position du poste de conduite, ce qui est un avantage apprécié par les industriels de l'automobile. Dans la figure 1 la courbe 1 représente la moyenne des valeurs absolues de la distorsion de phase stéréophonique mesurée sur six véhicules différents aux deux positions d'écoute à l'avant des véhicules. Cette moyenne passe par un maximum aux environs de 250 Hertz pour descendre à 90° à partir de 500 Hertz. Or comme 90° est la moyenne entre 0° et 180° on peut en déduire qu'au-dessus de cette fréquences les distorsions de phase entre les véhicules ne sont plus corrélées et affirmer qu'il n'existe aucun filtre stéréophonique permettant d'améliorer la distorsion de phase dans tous les véhicules au-delà de cette fréquence. Toujours dans la figure 1, la courbe 2 représente un filtre de pente infinie inversant la phase stéréophonique aux environs de 120 Hz, et la courbe 3 représente la distorsion de phase résiduelle aux deux positions d'écoute après application de ce filtre symétrique. La distorsion résiduelle est nettement moins importante que la distorsion d'origine ce qui montre qu'il est avantageux en automobile d'inverser la phase stéréophonique dans certaines bandes de fréquences. Un filtre de pente infinie est très coûteux en ressources de calcul. Un des buts de la présente invention est de mettre au point un filtre dont la pente ne soit pas infinie, qui soit le moins coûteux possible en ressources de calcul et qui soit symétrique « à l'oreille ».45 On connaît le brevet américain N° 6,038,323 de Petroff qui poursuit cet objectif. L'auteur constate que la distorsion interaurale de phase en automobile c'est à dire la différence de phase entre les sons parvenant aux deux 5 oreilles de l'auditeur passe de 0° à 180° dans une plage de fréquence allant de 150 Hz à 300 Hz. L'auteur en déduit un filtre destiné à compenser cette distorsion pour un auditeur. Il dit obtenir un résultat identique pour deux auditeurs situés côte à côte à l'exception de la bande des 10 150-300 Hz et affirme que cette bande ne représente que 17% des fréquences importantes dans la poursuite de son objectif. Nous avons réalisé ce filtre dans la version préférée 15 par l'auteur précisée dans la revendication 2 et l'avons testé dans nos six véhicules différents équipés classiquement de haut-parleurs principaux situés dans les portières avant. 20 Dans ces six véhicules nous avons constaté une amélioration très nette de la reproduction de l'image sonore stéréophonique pour un emplacement d'écoute. Par contre nous avons aussi constaté une dégradation 25 de la reproduction des fréquences basses pour au moins un emplacement d'écoute dans cinq véhicules sur six, ainsi qu'une forte asymétrie gauche/droite de l'action de ce filtre pour les fréquences situées dans le bas médium. 30 Le filtre proposé n'est donc pas assez performant pour parvenir à l'objectif fixé. On connaît aussi le brevet américain 6,876,748 du même auteur dont l'objectif est d'améliorer les performances' du 35 filtre proposé dans le brevet N°6,038,323 pour parvenir au but fixé. L'auteur se propose d'y parvenir en réalisant une inversion de la phase stéréophonique dans une bande d'une 40 largeur d'environ 100 Hz autour d'une fréquence proche de 200 Hz. A l'aide de l'outil « Graphic Phase Shifter » du logiciel Cool Edit Pro 2.0 nous avons tout d'abord effectué 45 une rotation de phase de 0° à 180° sur une largeur de 100 Hz autour de la fréquence de 200 Hz sur le canal gauche en laissant le canal droit intact, puis ensuite nous avons effectué le même traitement sur le canal droit en laissant le canal gauche intact. Des écoutes successives de ces deux traitements nous ont permis de constater une différence sensible entre les deux traitements dans la reproduction des fréquences situées dans le bas médium entre 200 Hz et 300 Hz ainsi que dans la reproduction des fréquences basses situées entre 100 Hz et 200 Hz. Le processing proposé dans le brevet américain 6,876,748, n'atteint que partiellement l'objectif fixé, en outre, il est coûteux en ressources de calcul. Dans la figure 2 du présent document on retrouve les courbes 1 et 3 de la figure 1 qui sont respectivement la distorsion d'origine et la distorsion résiduelle après application d'un filtre de pente infinie. La courbe 2 représente la courbe de phase d'un filtre de largeur 100 Hertz autour de la fréquence de 200 Hertz comme le propose Petrov dans le brevet américain N° 6 876 748. La courbe 4 est la distorsion résiduelle pour une position d'écoute et la courbe 5 est la distorsion résiduelle pour l'autre position. La différence entre les courbes 4 et 5 explique clairement les résultats insuffisants constatés à l'écoute. On connaît aussi le brevet français N°2 918 532 de la société Arkamys, qui se propose d'inverser la phase stéréophonique lorsque la différence de phase entre les deux canaux s'approche à moins de 20°de 180° alors que comme le montre la figure 1 l'inversion de phase stéréophonique réduit la distorsion de phase stéréophonique dès que cette dernière dépasse les 90°. Un des objectifs de la présente invention est de proposer un filtre stéréophonique permettant d'améliorer l'image stéréophonique symétriquement pour deux auditeurs situés côte à côte dans une automobile, aisément réalisable soit par des moyens analogiques soit par des moyens numériques, économique en ressources, et s'approchant suffisamment de l'idéal théorique du filtre à pente infinie pour que son action soit symétrique « à l'oreille » et ne qui produise pas d'effets indésirables au niveau de la reproduction des fréquences basses. En effet, il est connu qu'en matière d'égalisation de niveau qu'un accident dans la courbe de réponse est inaudible en écoute courante lorsque sa largeur est suffisamment faible. De la même manière, il était concevable de supposer 5 qu'un accident de phase stéréophonique soit inaudible en écoute courante s'il est limité à une bande de fréquences suffisamment étroite. A l'aide de l'outil « Graphic Phase Shifter » du 10 logiciel Cool Edit Pro 2.0 nous avons déphasé la bande 90400 Hz d'un canal de notre disque test, en effectuant les passages de 0° à 180° et de 180° à 0° dans des bandes infiniment étroites pour respecter la condition de symétrie. 15 Les tests d'écoute réalisés dans les six véhicules différents ont montré que l'image stéréophonique était constamment améliorée sur tous les véhicules pour les deux positions d'écoute, que la polarité du filtre était sans influence sur le résultat à l'écoute, mais aussi que dans 20 certains véhicules, l'inversion de phase entraînait une dégradation dans la reproduction du registre des basses fréquences pour au moins un emplacement d'écoute. Nous avons trouvé l'origine du problème dans les 25 basses fréquences. En effet, la figure 1 montre que la distorsion de phase stéréophonique moyenne après être montée vers 120° à 100 Hz redescend à 90° aux environs de 125 Hz. Comme il s'agit d'une valeur moyenne, sur certains véhicules la distorsion de phase dans cette bande de fréquences 30 descend au-dessous des 90°, et l'inversion de phase provoque une augmentation de la distorsion de phase aux environs de 125 Hz. Nous avons recommencé l'expérience en inversant la 35 phase à partir de 160 Hz au lieu de 90 Hz et l'introduction de ce nouveau filtre n'a causé de dégradation dans les basses fréquences pour aucune position d'écoute dans nos six véhicules. 40 Lorsque le véhicule de destination n'est pas connu, il est donc prudent de n'inverser la phase qu'à partir de 160 Hz. L'étape suivante a été de comparer ce filtre inverseur 45 de phase entre 160 Hz et 400 Hz à un simple filtre inverseur de phase à partir de 160 Hz. En effet, plus on monte en fréquence et moins la phase est importante pour la formation du centre de l'image sonore. Ces deux filtres fournissent effectivement à l'écoute des résultats très proches. Le second type de filtre ayant d'une part l'avantage de consommer deux fois moins de ressources de calcul et d'autre part de ne pas provoquer de distorsion de propagation de groupe aux environs de 400 Hz. Nous avons donc opté pour ce dernier. Nous avons ensuite recherché en élargissant progressivement la bande de fréquence de transition entre 0° et 180° la pente à partir de laquelle l'inversion de polarité d'un filtre inverseur de phase devenait audible sur de la modulation courante. Nos essais d'écoute avec différentes pentes réalisées à l'aide de l'outil « Graphic Phase Shifter » du logiciel Cool Edit Pro 2.0 nous ont montré que l'inversion de polarité devenait audible lorsqu'elle s'effectuait en plus de 1/hème d'octave entre 45° et 135°. Autour de 200 Hz, 1/6 ème d'octave représente une largeur de bande de 33 Hz. La largeur de bande de 100 Hz fixée comme objectif dans le brevet N° 6,876,748 apparaît donc trois fois trop large pour assurer la symétrie du résultat. La combinaison de filtres la plus intéressante sur le plan performance/ressources que nous ayons trouvé consiste à placer sur un canal deux filtres passe-tout d'ordre 2 et sur l'autre canal un filtre passe-tout d'ordre 1 et un filtre passe-tout d'ordre 2. La figure 4 représente un exemple de réalisation analogique de ce filtre de phase stéréophonique 1 créant entre les sorties SG et SD un déphasage de 180° à partir d'une certaine fréquence avec une pente d'environ 1/eie d'octave entre 45° et 135°. Il est composé sur le canal gauche d'un filtre passe tout 2 d'ordre 1 suivi d'un filtre passe-tout 4 d'ordre 2, et sur le canal droit de deux filtres passe-tout 3 et 5 d'ordre 2 ces quatre filtres étant accordés sur la même fréquence de transition. Ce filtre stéréophonique étant symétrique « à l'oreille » les composants du canal gauche peuvent être échangés avec ceux du canal droit. En outre l'opération de multiplication étant commutative, l'ordre des filtres peut être inversé. La phase d'un filtre passe tout d'ordre 1, est donnée par la relation : =-2Arctg(-f) (1) fo fo étant la fréquence d'accord du filtre. Lorsque Ra = Rb, le module de la tension à la sortie 5 est pour toutes les fréquences égal au module de la tension à l'entrée EG. La différence de phase entre la sortie et l'entrée est donnée par la relation (1) dans laquelle la fréquence d'accord fo de ce filtre est donnée par la relation fo =11(271-.Ro.C1) (2) Nous avons choisi Ra= Rb = 10 KOhm (valeur non critique). En choisissant C1 = 100 nF il vient d'après (2) 15 pour une fréquence de transition de 160 Hz : = 1/(27r.f, .C1) = 1/ 160x6, 28x0, 0000001 = 10 Kohms. Le circuit construit autour de l'amplificateur 20 opérationnel 3 est du type passe-tout lorsque Rf/Rg =4xC2/C3. La différence de phase entre l'entrée ED et la sortie 6 est donnée par la relation : cp = -2 x Arctg 1 1 fo f x (3) f fo , Q =11 2\IC2 /C3 (4) 1 et fo= , (5) 2.7c.ed x Re x C2 x C3 est le facteur de qualité et fo est la fréquence d'accord. Le gain est égal à : Rg G =11 (1+1 I Q2) = (6) Rf +Rg 30 Tous les filtres sont accordés sur la fréquence de transition et les filtres passe-tout d'ordre 2 se différencient par la valeur de leur coefficient de qualité Q et qui entraîne des gains différents. De toutes les combinaisons essayées celle qui nous a fourni le meilleur 35 résultat est d'affecter Q = 0,8 au circuit construit autour dans laquelle 25 Q de l'amplificateur opérationnel 3, Q = 2 pour le circuit construit autour d'un amplificateur opérationnel 4 et Q = 7 pour le circuit construit autour de l'amplificateur opérationnel 5. Le calcul de la valeur des composants du circuit passe-tout construit autour de l'amplificateur opérationnel 3 s'effectue comme suit : de (4) on tire : C2/C3=4xQ2 et donc pour Q = 0,8 C2/C3 = 2,56, ce qui conduit à choisir les 10 valeurs normalisées C3= 33 nF et C2= 82 nF. Calculons maintenant Rd et Re que nous prendrons sensiblement égales. Soit R leur valeur. De (5) il vient : R2= 1 fo ---' 15 Et donc R = 19 kOms valeur qui n'est pas normalisée et nous conduit à choisir Rd = 18 kOhms et Re= 20 kOhms. Rf+Rg 20 Ce qui conduit à choisir les valeurs normalisées Rg = 13 kOhms et Rf = 20 kOhms. Le même principe de calcul conduit pour le circuit construit autour de l'amplificateur opérationnel 4 aux valeurs suivantes : C4 = 100 nF ; C5 = 6,8 nF ; Rh = Ri = 36 kOhms ; Rj = 2,5 KOhms ; Rk = 10 25 KOhms. Enfin pour le circuit construit autour de l'amplificateur opérationnel 5 nous avons C6 = 220 nF ; C7 = 1,2 nF ; R1 = Rm = 6,2 KOhms ; Rn = 100 KOhms et Ro = 2 KOhms. Pour ce qui concerne les gains, celui du canal droit 30 est égal à Gd = 0,39 x 0,98 = 0,38 et celui du canal gauche Gg = 1 x 0,8 = 0,8. Donc, pour rétablir les niveaux de sortie SG et SD à des niveaux identiques à ceux de EG et ED, il convient donc dans un étage suivant, de multiplier à l'aide de moyens connus le gain du canal gauche par 1/0,38 = 35 2,63 et celui du canal droit par 1/0,8 = 1,25. La courbe 2 de la figure 3 représente la différence de phase entre SG et SD du circuit de la figure 4, et les courbes 4 et 5 sont les distorsions résiduelles aux deux 40 positions d'écoute. Leurs différences avec la distorsion Reste à calculer Rf et Rg. De (6) on tire Rg G = 0,39= résiduelle du filtre de pente infinie sont limitées à des bandes très étroites et inaudibles. En numérique, la fonction de transfert d'un filtre 5 passe tout d'ordre 1 est donnée par l'équation : Hw = Ho x 1- (7) wo 1+ s wo qui n'a qu'un seul paramètre : wo=271-jo , fo étant la fréquence d'accord du filtre. La fonction de transfert de 10 chacun d'un filtre passe-tout d'ordre 2 dont est donnée par l'équation : 1 S2 - 14,0 S wo2 Hw = Ho x qui à 2 paramètres, d'une part wo=27c10, fo étant la fréquence d'accord par exemple 160 Hz et d'autre part le 15 facteur de qualité Q. Comme en analogique, on affectera les valeurs Q = 0,8 et Q = 7 pour les deux filtres d'ordre 2 d'un canal et Q = 2 pour le filtre d'ordre 2 situé sur le même canal que le 20 filtre d'ordre 1. Lorsqu'à l'aide d'un commutateur on met en place le filtre précédemment décrit, afin de comparer instantanément l'image sonore qu'il produit avec l'image sans filtre on 25 constate deux phénomènes : d'une part le filtre améliore la restitution du centre de l'image sonore en le rapprochant de l'axe de symétrie longitudinale du véhicule pour les deux positions d'écoute ce qui est une amélioration incontestable, mais, d'autre part, on constate un 30 rétrécissement de la largeur de l'image sonore. Ceci provient du fait de la diminution de la distorsion de phase entre les deux canaux. Il est en effet connu en restitution sonore que de déphaser un canal par rapport à l'autre augmente la perception de largeur de la scène sonore. 35 2 S2 + - 1 S W0 (8) On en conclut qu'il serait avantageux de pouvoir proposer en option de n'introduire ce filtre que lorsqu'il est vraiment utile c'est-à-dire en présence d'un centre de la scène sonore corrélé. Mais, introduire le filtre ou le retirer au bon 5 moment et sans que l'auditeur s'en aperçoive n'a rien d'évident. L'idée de la présente invention pour y parvenir est d'asservir la fréquence de transition et donc la fréquence 10 d'accord des filtres à l'indice de corrélation de phase entre les deux canaux. Cet indice « c » est égal à zéro lorsque les deux canaux ne sont pas corrélés et il est égal à 1 lorsque les deux canaux sont corrélés. En faisant en sorte que la fréquence d'accord des filtres soit égale à 15 celle recherchée par exemple 160 Hz lorsque les phases des deux canaux sont corrélées pour être reportée à une fréquence pour laquelle présence du filtre devient imperceptible lorsque leur phases ne sont pas corrélées par exemple 500 Hertz on obtient le résultat désiré. 20 Soit Fb la fréquence basse d'accord par exemple 160 Hz, Fh la fréquence haute d'accord par exemple 500 Hz, Fv la fréquence variable d'accord et « c » le coefficient de corrélation de ph ase entre les canaux lorsque nous 25 effectuons: F =Fb +(Fh -Fb)x(1-c (9) v Ce qui avec Fb =160 et Fh =500 entraîne : F =160 + 340 x (1- c) F vaut 160 lorsque c=1 et vaut 500 lorsque c=0 et varie 30 bien de manière continue entre 160 et 500 Hertz en fonction de l'indice de corrélation de phase entre les canaux. Comme chaque variation de F correspond à une évolution de l'image sonore, la variation de F est imperceptible pour l'auditeur tout en permettant à l'image sonore de garder sa 35 largeur hors de la présence d'un centre de la scène sonore corrélé. En analogique, asservir la fréquence d'accord de ce filtre conduit à remplacer les résistances fixes Rc ; Re ; 40 Rd ; Ri ; Rh ; R1 et Rm par 7 résistances variables, par exemple 7 circuits à transconductance du type LM 13600 montés en résistances flottantes commandées en tension, ou alors à utiliser des filtres à capacités commutées auquel il convient de rajouter les circuits de calcul de « c » et les circuits d'élaboration des tensions de commande ce qui est réalisable en laboratoire par un homme de l'art, mais conduit sur le plan industriel à développer un circuit spécifique. En numérique il suffit de quelques lignes de programmation en plus pour élaborer « c », calculer F selon l'équation (9) et remplacer fo par F dans les équations (7) et (8). 20 25 30 35 40 45 REVENDICATIONS1- Filtre de phase stéréophonique destiné à corriger 5 l'image sonore dans un système de reproduction sonore pour véhicule automobile caractérisé par le fait que ce filtre maintient le déphasage entre les canaux droits et gauche proche de 0° dans les fréquences basses, et, qu'à une fréquence située entre 80 et 160 Hz, la différence de phase 10 entre les canaux monte brusquement à 180° à l'intérieur d'une bande de largeur proche ou inférieure à 1/6ème d'octave entre 45° et 135° et par le fait que le déphasage entre les canaux reste constamment proche de 180° jusqu'à une fréquence au moins égale à sensiblement 500 Hz. 15 2- Filtre passe-tout conforme à la revendication 1 et caractérisé par le fait que les moyens de passage de 0° à 180° comportent au moins une combinaison de 2 filtres passe-tout d'ordre 2 sur un canal ayant des coefficients de 20 qualité respectivement égaux à sensiblement 0,8 et 7 et d'un filtre passe-tout d'ordre 1, plus un filtre passe-tout d'ordre 2 sur l'autre canal avec un coefficient de qualité sensiblement égal à 2, tous les filtres passe-tout ayant la même fréquence d'accord. 25 3- Filtre passe-tout conforme à l'une des deux revendications précédentes et caractérisées par le fait que la fréquence d'accord des filtres est asservi à l'indice de corrélation de phase entre les deux canaux de manière à ce 30 que cette fréquence d'accord varie de manière continue en fonction de l'indice de corrélation de phase entre une fréquence basse située entre 80 Hertz et 160 Hz lorsque l'indice de corrélation de phase est égal à 1 et une fréquence haute sensiblement égale ou supérieure à 500 Hertz 35 lorsque l'indice de corrélation de phase est égal à zéro. 4- Dispositif de diffusion des messages sonores dans un véhicule du type comportant al1 moins une source de modulation, des moyens de traitement du signal, un 40 amplificateur de puissance et au moins deux moyens formant haut-parleur et caractérisé par le fait que les moyens de traitement du signal sont configurés pour exécuter un filtrage conforme à au moins une des revendications précédentes. 45 5- Véhicule automobile équipé d'un dispositif audiofréquence stéréophonique conforme à la revendication 4.