Brevet FR3091079A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE COMMANDE DE LA DYNAMIQUE D'UNE CHAINE HAUTE FIDELITE ET D'ADAPTATION DE LA REPONSE SPECTRALE D'UNE ENCEINTE ACOUSTIQUE Domaine technique [0001] La présente invention vise un dispositif de commande de la dynamique d'une chaîne haute-fidélité et, éventuellement, d'adaptation de la réponse spectrale d'une enceinte acoustique. Technique antérieure [0002] Les problèmes de saturation de certains éléments, notamment amplificateur ou pré- amplificateur, d'une chaîne haute-fidélité, provoquent des désagréments ou l'obligation de réduire le volume d'écoute. [0003] La miniaturisation des systèmes de reproduction audio amplifiés impose des sur- tensions très importantes sur les ampli et haut-parleurs. [0004] Ces surtensions peuvent êtres del"ordre de 30dB dans les basses fréquences. De cc fait la puissance maximale de l'ampli est atteinte très rapidement. [0005] Afin de ne pas saturer les amplificateurs et de cc fait générer des distorsions fortement audibles, il est nécessaire d'intégrer cc que l'on appelle des limiteurs/ compresseurs. [0006] Ces limiteurs empêchent la saturation des amplificateurs mais dégradent le signal audio sur toute sa bande par effet de pompage ou dé-timbrage. [0007] Un compresseur est un appareil de traitement du son destiné à réduire la dynamique du signal. C'est un effet audio analogique ou numérique qui réduit le niveau des parties du signal qui dépassent durablement un seuil prédéterminé. [0008] Les compresseurs se présentent sous forme matérielle, comme module intégré, ou sous forme logicielle comme dans le cas des plug-in (module d'extension) audio. [0009] Dans son principe, un compresseur est un amplificateur dont le gain, inférieur à 1 varie, relativement lentement, en fonction de la valeur du signal à son entrée. [0010] La relation entre le niveau d'entrée, le niveau de sortie et la réduction de gain du compresseur définit le fonctionnement du compresseur. Le compresseur réduit le niveau du signal audio quand son amplitude dépasse une valeur limite prédéterminée (valeur seuil), en appliquant un rapport R ou taux de compression choisi. Il transmet tel quel un signal dont le niveau est constamment en dessous de la valeur seuil. Il atténue un signal de niveau constant au-dessus du seuil de telle sorte que le niveau augmente R 2 fois moins vite que celui d'un signal non traité. Par exemple, pour un compresseur ayant un rapport de 4:1 avec un seuil à -10 dB : [0011] - un signal dont le niveau ne dépasse pas -10 dB n'est pas modifié, [0012] - un signal de niveau constant 10 dB est 20 dB au-dessus du seuil ; il est donc réduit à -10 + (20+4) = -5 dB. [0013] Un compresseur présente aussi une durée d'attaque et de retour. Les relations ci- dessus valent pour des signaux constants. L'intérêt du compresseur réside dans le fait qu'il agit avec des délais pour l'attaque, au dépassement du seuil, et pour le retour, quand le niveau revient en dessous du seuil. Ces délais réduisent les défauts audio perçus par l'auditeur. Par exemple, si le signal comporte une partie à fort niveau, très variable, comme une voix humaine, et une partie à faible niveau, presque stable, comme une musique de fond, on entend cette dernière « pomper », regagnant son volume normal progressivement pendant le délai de retour après chaque passage fort de la partie variable. [0014] Le temps d'attaque est la constante de temps dans le sens de la montée du signal que le circuit compare à la valeur seuil pour déclencher la réduction de gain. Des temps d'attaque longs permettent d'intervenir sur le signal de manière subtile/inaudible mais laissent les attaques dépasser largement la valeur seuil. À l'inverse, des temps d'attaque courts « s'entendent » plus mais garantissent mieux que le signal n'atteint pas des niveaux excessifs. De même, le temps de retour est la constante de temps dans le sens de la descente du même signal, retardant le retour du compresseur à son état neutre. [0015] Le « knee » (littéralement le genou) est le point de jonction entre le comportement linéaire du compresseur (pas de compression), et le début de la compression, situé au niveau de la valeur seuil. Le « soft knee » permet une entrée en action plus progressive du compresseur et paramétrable, le « coude » est arrondi. Les signaux un peu plus faibles que le seuil sont déjà légèrement réduits, ceux qui sont seulement un peu au-dessus du seuil sont moins affectés que ceux qui sont largement au-dessus. Le « hard knee » fait référence au comportement classique d'un compresseur. [0016] Le limiteur est un type de compresseurs ayant un ratio élevé et, généralement, un temps d'attaque court. La plupart des ingénieurs du son considèrent qu'à partir d'un taux de compression de 10:1 ou plus, le compresseur devient un limiteur. [0017] Dans les systèmes audio de forte puissance, on connaît des limiteurs/compresseurs réalisant une limitation à constante de temps lente pour détecter une énergie entretenue trop longtemps pouvant détruire thermiquement les haut-parleurs, tel que décrit dans le document W02016116444. [0018] Ce type de limiteur ne permet pas d'éviter notamment le clipping (ou écrêtement) d'ampli et les fortes excursions des haut-parleurs. [0019] Par ailleurs et indépendamment, les réverbérations et amortissements d'ondes 3 sonores d'une salle d'écoute nuisent à la qualité d'écoute. Les systèmes de compensation connus, qui imposent de positionner un microphone en différents endroits de la salle d'écoute, sont complexes et imposent des procédures longues. Exposé de l'invention [0020] La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. [0021] À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de commande de la dynamique d'une chaîne haute-fidélité, qui comporte un compresseur de dynamique multibande comportant, pour chaque bande fréquentielle, un compresseur indépendant et un moyen de mesure de crête du signal audio dans ladite bande fréquentielle, et un moyen (l'asservissement dynamique de la valeur limite de déclenchement du compresseur d'au moins une bande fréquentielle, en fonction du niveau de crête détecté dans au moins unc autre bande fréquentielle. [0022] Grâce à la mise en oeuvre de l'invention, on réalise une limitation à constante de temps rapide pour détecter des crêtes et on évite le clipping (saturation ou écrêtement) d'amplificateur et les fortes excursions des haut-parleurs. L'invention permet ainsi de compresser au minima afin d'utiliser la puissance maximale disponible de l'amplificateur. [0023] Dans des modes de réalisation, le moyen d'asservissement asservit dynamiquement la valeur limite de déclenchement du compresseur d'au moins une bande fréquentielle, en fonction du niveau de crête de la somme des signaux sortants des compresseurs de bande. [0024] Grâce à ces dispositions, les différentes valeurs limites de déclenchement des com- presseurs de bandes fréquentielles sont liées entre elles. [0025] Dans des modes de réalisation, le moyen d'asservissement donne à la valeur limite de déclenchement d'au moins unc bande fréquentielle, le produit d'une valeur prédéterminée par le niveau de crête de la somme des signaux sortants des compresseurs de bande. [0026] Dans des modes de réalisation, le moyen d'asservissement asservit dynamiquement la valeur limite de déclenchement du compresseur d'au moins une bande fréquentielle, en fonction du niveau de crête de la somme des signaux sortant des compresseurs de bande de toutes les bandes fréquentielles et en fonction du niveau de crête dans ladite bande fréquentielle. [0027] Par exemple, la valeur limite est égale au produit de la valeur de crête par la valeur de crête de la somme des signaux sortant des compresseurs. [0028] Grâce à chacune de ces dispositions, aucun signal ne peut faire dépasser un niveau global en sortie du compresseur multibande, la somme des signaux sortant des compresseur ayant un niveau de crête asservi. 100291 Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte, pour au moins une bande fréquentielle, un moyen d'application d'une rampe progressive du gain du compresseur de ladite bande fréquentielle. [0030] Grâce à ces dispositions, le gain ne varie pas brutalement, ce qui pourrait provoquer des distorsions audibles, mais progressivement. [0031] Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte, pour au moins une bande fréquentielle, une ligne à retard en amont du compresseur, qui retarde le signal audio à comprimer par rapport au début de la variation progressive du gain. [0032] Préférentiellement, la durée du retard appliqué par la ligne à retard, pour une bande fréquentielle, est égale à la durée de la rampe d'évolution progressive du gain du compresseur de cette bande fréquentielle. [0033] Grâce à ces dispositions, le signal audio qui correspond à une crête est comprimé avec un gain important, sans qu'il soit nécessaire que le gain change brutalement à l'arrivée de cette crête. [0034] Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte au moins une ligne à retard en aval du compresseur d'une bande fréquenticlIc, pour compenser une différence de retards introduits par des lignes à retard en amont de deux compresseurs de deux bandes fréquentielles. [0035] Dans des modes de réalisation, au moins un filtre d'extraction de bande fréquentielle est un filtre de Tchebychev de type 1, d'ordre supérieur ou égal à six. [0036] Grâce à ces dispositions, on diminue la largeur fréquentielle des bandes de re- couvrement des bandes fréquentielles. [0037] Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de compression de dynamique multibande audio mettant en oeuvre, pour chaque bande fréquentielle, une étape de compression indépendante et une étape de mesure de niveau de crête dans ladite bande fréquentielle, qui comporte une étape d'asservissement dynamique de la valeur limite de déclenchement du compresseur d'au moins une bande fréquentielle, en fonction du niveau de crête détecté dans au moins une autre bande fréquentielle. [0038] Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé étant similaires à ceux du dispositif objet de l'invention, ils ne sont pas rappelés ici. Brève description des dessins [0039] D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l'invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : [0040] [fig.]] représente un schéma de principe simplifié de la gestion du volume dynamique par bande de fréquence appliquée par la présente invention, [0041] [fig.2] représente un schéma bloc de composants mis en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention et [0042] [fig.3] représente, sous forme d'un logigramme, des étapes du procédé objet de la présente invention. [0043] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE RÉALISATION DE L'INVENTION [0044] La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. [0045] Le premier mode de réalisation concerne un dispositif et un algorithme de gestion de la dynamique utilisés pour une enceinte acoustique, notamment le grave de cette enceinte. [0046] Dans ce mode de réalisation, on implémente au moins un compresseur de dynamique multihande avec des seuils par bande variables asservis dynamiquement par rapport à la somme totale du signal traité. [0047] Ainsi, on effectue un traitement multihande afin que la compression nécessaire ne soit effective que dans une bande fréquentielle limitée, niais de ne pas utiliser des compresseurs conventionnels trop générateurs de distorsion quels que soient les jeux de paramètres testés. [0048] On vise ainsi à ne pas changer la forme d'onde par compression classique, mais d'adapter le volume maximum par bande de fréquences dans la limite admissible par les amplificateurs et les haut-parleurs. [0049] Une des fonctions de gestion de la dynamique consiste à déterminer, en temps réel, le facteur multiplicatif (gain) à appliquer sur le signal audio dans une bande fréquentielle, pour éviter tout dépassement de crête de la valeur limite seuil admissible. [0050] Dans des modes de réalisation, pour réaliser cette fonction, on duplique le signal traité par bande fréquentielle en deux branches parallèles, l'une étant utilisé pour détecter des dépassements de crête éventuels, de calculer le taux de dépassement par rapport à un seuil préétabli et d'appliquer le facteur multiplicatif inverse du taux de dépassement sur la deuxième branche du signal. Préférentiellement, le signal auquel on applique le gain est retardé de la durée nécessaire à l'application du facteur correctif. Le signal joué commence donc à s'atténuer progressivement avant le passage de la crête de telle manière qu'au passage exact de la crête, le signal corresponde à la valeur limite seuil maximale, admissible par le système, ou choisie par paramétrage. [0051] La figure 1 est un schéma de principe 10 simplifié de la gestion du volume dynamique par bande de fréquences. 6 [0052] Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, on commence à atténuer le signal l ms avant de passer la crête deux fois plus importante que le seuil maximum admissible, et lorsque la crête arrive, l'atténuation est exactement de 0,5, ce qui permet de passer la crête sans dépassement de seuil (ici de valeur 1) et sans avoir modifié la forme d'onde, mais juste en ayant diminué le volume dans la bande de fréquence concernée. On retarde donc le signal sur une des deux branches afin d'anticiper les crêtes à venir analyser sur l'autre branche non retardée. [0053] Un circuit de même schéma que celui illustré en figure 1 est mis en oeuvre pour chacune de, par exemple, quatre ou cinq bandes fréquentielles (d'une octave chacune) ce qui permet de diminuer uniquement le volume de chaque bande fréquentielle concernée par un dépassement de la valeur limite seuil sans comprimer le signal dans les aux autres bandes fréquentielles. [0054] Après programmation à partir des boites à outil de base et après tests perceptifs, ce schéma 10 donne les meilleurs résultats en termes de perception sonore. [0055] On observe, en figure 1, un module 21 de décomposition du signal audio à diffuser en signaux correspondant à différentes bandes de fréquences. Comme exposé ci-dessus, le signal est, par exemple, décomposé en quatre ou cinq bandes fréquentielles d'une octave chacune. Le traitement du signal dans une seule de ces bandes fréquentielles est représenté en figure 1. Un module 11 duplique le signal et transmet l'une des duplications à un module 13 de mesure de crête et l'autre de ces duplications à une ligne à retard 12 qui reproduit, à sa sortie, le signal qu'il reçoit en son entrée avec un retard fixe, par exemple d'une milliseconde. [0056] On rappelle qu'une ligne à retard matérielle est un composant électronique qui, idéalement, transmet intégralement le signal électrique en l'affectant d'un retard notablement plus grand que le temps de transfert dans les autres composants. Les lignes à retard numériques fonctionnent de la même manière, à ceci près qu'elles agissent sur des échantillons en données numériques, mis en mémoire. Il y a au moins autant de mémoire que le produit du débit numérique par le délai maximal. Les données forment une file (en anglais « queue ») où le premier arrivé est le premier sorti (« FIFO » pour first in first out). [0057] Par ailleurs, une mémoire 14 fixe la valeur limite maximale (ou valeur de consigne) que le signal de sortie ne doit pas dépasser, par exemple « 1 ». On suppose, en figure 1, que le module de mesure de crête 13 mesure une crête d'une valeur de «2 ». Un diviseur 15 fournit un facteur de gain à appliquer au signal : [0058] - Lorsque la crête mesurée par le module de mesure 13 est inférieure à la valeur limite fournie par la mémoire 14, ce facteur de gain est de « 1 » ; [0059] - Lorsque la crête mesurée par le module de mesure de crête 13 est supérieure à la valeur limite fournie par la mémoire 14, ce facteur de gain est égal au ratio de la valeur 7 limite mémorisée divisée par la valeur de crête mesurée (ce facteur est donc, dans le cas illustré, de « 1/2 »). [0060] La sortie du diviseur 15 est donc un facteur multiplicatif 16 à appliquer pour franchir la crête qui excède la valeur limite sans dépassement de cette valeur limite. [0061] Le générateur de rampe 18 réalise une rampe temporelle faisant évoluer progres- sivement le facteur multiplicatif depuis sa valeur initiale jusqu'à la valeur sortant du diviseur 15. La durée de la progression est sensiblement égale au retard appliqué par la ligne à retard 12. Cette rampe est appliquée au signal retardé par la ligne à retard 12. [0062] Le signal sortant du multiplicateur 19 est ainsi un signal qui ne dépasse pas la valeur crête consigne conservée par la mémoire 14. [0063] Les signaux éventuellement compressés, issus des circuits de traitement des dif- férentes bandes spectrales sont ensuite sommées par un sommatcur 22, avant que leur somme soit transmise à un amplificateur puis aux haut-parleurs. [0064] Des modes de réalisation visent à remédier à des problèmes complémentaires. D'une part, le fait de séparer la bande passante en plusieurs bandes fréquentielles, de les traiter indépendamment puis de les sommer pose d'autres problèmes, notamment aux fréquences de coupures entre les différentes bandes. [0065] Pour pallier cet inconvénient aux fréquences de raccordement, on choisit des bandes de recouvrement les plus étroites possibles. Pour cela, on utilise des filtres RTT. Un filtre à réponse impulsionnelle infinie ou filtre RIT (en anglais « infinitc impulse response filter » ou « IIR tiller ») est un type de filtre numérique caractérisé par une réponse fondée sur les valeurs du signal d'entrée ainsi que les valeurs antérieures de cette même réponse. Il est nommé ainsi parce que dans la majorité des cas, la réponse impulsionnelle de ce type de filtre est de durée théoriquement infinie. Il est aussi désigné par l'appellation de filtre récursif. Ce filtre est l'un des deux types de filtre numérique linéaire. L'autre type possible est le filtre à réponse impulsionnelle finie (filtre RIF). Contrairement à celle du filtre MI, la réponse du filtre RIF ne dépend que des valeurs du signal d'entrée. Par conséquent, la réponse impulsionnelle d'un filtre RIF est toujours de durée finie. La plupart des filtres analogiques peuvent également être considérés comme des filtres à réponse impulsionnelle infinie. [0066] Préférentiellement, on met en oeuvre un filtre de type Tchebychev de type 1 ou direct, d'ordre élevé (préférentiellement d'ordre supérieur ou égal à six, par exemple d'ordre huit à dix) occasionnant ainsi des déphasages important qui à basse fréquence engendrent des retards de groupe également préjudiciable. Cependant, les défauts perçus à cause de ces retards de groupe importants sont peu perceptibles, et nettement moins que toutes les distorsions engendrées par l'usage de compresseurs conventionnels. Dans un mode de réalisation préférentiel, on compense en partie ces retards de phase par l'utilisation de filtres FIR à phase non linéaire utilisé en amont ou en aval du com- 8 presseur multibande. Les filtres de Tchebychev sont un type de filtre caractérisé par l'acceptation d'une ondulation, ou bien en bande passante ou bien en bande atténuée. Dans le premier cas, on parle de filtres de Tchebychev de type 1 ou directs, dans le second, de filtres de Tchebychev de type 2 ou inverses. Les filtres qui présentent une ondulation à la fois en bande passante et en bande atténuée sont appelés filtres elliptiques. [0067] Par ailleurs, le fait de traiter en multi-bandes fréquentielles a l'avantage de rendre la gestion de la dynamique dans le grave très performante. On n'atténue que dans la bande fréquentielle impactée par un trop plein d'énergie que le système ne pourrait supporter et on ne touche pas aux autres bandes fréquentielles, pour lesquelles aucune crête ne passe que le système ne peut jouer. Cependant, on doit définir une valeur limite seuil par bande de fréquences. Or, pour assurer que le signal en sortie du sommatcur n'excède pas l'énergie que l'amplificateur ou le haut-parleur peut supporter, cette valeur limite de seuil doit, pour chacune des bandes fréquentielles, être de faible valeur. En effet, si on définit cinq bandes fréquentielles et que le maximum autorisé, par le système ampli et haut-parleur, est de la valeur 1, une fois ces cinq bandes sommées, il faut attribuer une valeur seuil de 1/5 à chaque bande de fréquences. Cinq maximum +0.2 arrivant au même instant donne la valeur de 1, une fois sommé. [0068] Cela restreint la capacité du système. En effet, prenons le cas où on a la valeur maximum atteint dans une seule bande de fréquences au même instant. On a, par exemple, pour les différentes bandes fréquentielles, 0,1 ; 0,05 ; 0,2 ; 0,1 et 0,05. La valeur totale en sortie du sommateur est de 0,1+0,05+0,2+0,1+0,05 = 0,5 soit beaucoup moins que la valeur « 1 » que l'amplificateur peut accepter en entrée. [0069] Dans des modes de réalisation, la valeur limite de seuil est, dans au moins une bande de fréquence, fonction des valeurs crêtes mesurées dans les autres bandes fréquentielles. Dans le cas présenté ci-dessus, seule la bande milieu atteint la valeur crête de 0,2, mais on a 0,5 de marge finalement, en sortie du sommateur. Dans ces modes de réalisation, on relève à cet instant précis la valeur limite seuil de la bande milieu jusqu'à 0,7 sans risque que le signal en sortie du sommateur dépasse la valeur limite seuil finale de « 1 ». [0070] Pour remédier à ce problème, dans des modes de réalisation, on met en oeuvre un système de valeur seuil variable par bande de fréquence, ajustée en continu et en temps réel par rétroaction de la valeur maximum, mesurée par un module 23 de mesure de valeur crête, du signal une fois sommé. [0071] Alternativement et de manière équivalente, on utilise les mesures de crête obtenues par les modules de mesure 13 des circuits traitant les différentes bandes fréquentielles et on attribue, par exemple avec une table de correspondance (look-up table), des valeurs limites seuil aux différentes bandes ti-équentielles. 9 [0072] Avec la mise en oeuvre de la présente invention, on dispose d'un traitement du signal performant pour la gestion de la dynamique, notamment dans le grave, pour les enceintes audio, notamment les enceintes compactes suramplifiécs dans le grave, pour en améliorer le rendu sonore. [0073] Dans le mode de réalisation 30 illustré en figure 2, le signal audio à l'entrée IN 31 est séparé en trois bandes fréqucnticlles (par exemple ici un filtre passe-bas 32, un filtre passe-bande 33 et un filtre passe-haut 34). On choisit préférentiellement des filtres de Tchebychev de type 1 d'ordre élevé (supérieur ou égal à six) afin de diminuer la largeur fréquentielle des bandes de recouvrement. [0074] Les composants 41, 42 et 43 fournissent une valeur limite seuil maximum par bande Thrl, Thr2 et Thr3 (collectivement notés « Thrk »), respectivement. Les composants 38, 39 et 40 réalisent une mesure de la valeur maximale (« Pcak Value ») du signal dans une bande fréquentielle, à partir de son enveloppe temporelle. Les comparateurs 44, 45 et 46 compare cette enveloppe temporelle à la valeur limite seuil Thrk et fournit, en sortie, le maximum entre ces deux valeurs. Les circuits 47, 48 et 49 calculent le quotient entre le seuil Thrk et la valeur issue du comparateur correspondant. [0075] Ainsi, si la valeur Pcak Value est inférieure à la valeur Thrk, le résultat du quotient est « 1 ». En revanche, si la valeur « Pcak Value » dépasse la valeur Thrk, le résultat du quotient est le facteur multiplicatif à appliquer au signal afin qu'après multiplication, sa crête ne dépasse pas la valeur limite seuil Thrk. Dans tous les cas, le résultat est le gain à appliquer au signal audio dans sa bande fréquentielle (0=1 si Peak Value