Brevet FR3111001A1 — publié le 20211203

L’invention concerne un procédé de calcul de filtres numériques à appliquer à des sources sonores (L1-L8) d’un système de sonorisation à zones d’écoute (Z1, Z2) différenciées, le système comportant un nombre total de sources sonores égal à L, le procédé comportant les étapes de : - imposer le filtre (F2’, F3’) numérique à appliquer à au moins une source sonore (L2, L3) ; - déterminer les filtres (F1’, F4’-F8’) numériques à appliquer aux autres sources sonores (L1, L4-L8), ou filtres non imposés, les filtres non imposés (F1’, F4’-F8’) étant calculés en tenant compte de la contribution de la ou des sources sonores (L2, L3) dont les filtres sont imposés. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Procédé de calcul des filtres numériques de source sonores pour générer des zones d’écoute différenciées dans un espace confiné tel qu’un habitable de véhicule L’invention se rapporte au domaine de la sonorisation d’espaces fermés ou confinés tels qu’un habitable de véhicule automobile. Avec le développement des technologies connectées, de plus en plus de services proposés à bord des véhicules automobiles nécessitent l’utilisation du système de sonorisation. De ce fait, il convient de restituer aux occupants une reproduction sonore de qualité, qui puisse être différenciée dans l'habitacle du véhicule, c’est-à-dire différente pour chaque occupant. Or, plus les haut-parleurs sont éloignés des oreilles des occupants, plus il faut d'énergie pour une même puissance perçue, et plus il est difficile de rendre efficace les contrôles de champs acoustiques. Une solution connue à ce problème est de disposer une sonorisation individuelle de proximité, comportant plusieurs haut-parleurs, disposés par exemple dans un appuie-tête de siège. Un tel appuie-tête comporte un support rigide, une garniture montée sur le support, avec une partie d'appui pour l'arrière de la tête de l'occupant, et deux voies de transmission sonore, intégrées dans ladite garniture de part et d'autre du support, et comprenant chacune un haut-parleur. Chaque haut-parleur est orienté vers la zone où se situe la tête de l’occupant du siège correspondant. Si une telle disposition améliore la qualité sonore perçue par l’occupant du siège par rapport à des haut-parleurs situés par exemple dans les portières, cette disposition n’est toutefois pas idéale pour obtenir une séparation franche des différentes zones d’écoute (une zone d’écoute correspondant à la place d’un occupant). Les solutions connues ne permettent pas d’obtenir un écart de niveau sonore suffisant entre les différentes zones, d’autant plus qu’un habitacle automobile comporte de nombreuses surfaces réfléchissantes et diffractives. Avec des haut-parleurs de proximité disposés dans les appuie-têtes, on estime que l’écart entre deux zones d’écoute (par exemple entre les deux sièges avant) est de l’ordre de -15dB, ce qui n’est pas suffisant pour permettre d’écouter deux contenus sonores différents à deux places différentes. On estime que pour atteindre ce but avec une qualité sonore satisfaisante, l’écart doit être d’au moins -30 dB. Afin d’atteindre un écart satisfaisant entre deux zones d’écoute, une solution envisagée est d’augmenter le nombre de sources sonores, en intégrant par exemple au moins 4 sources sonores (voire 6 ou 8 sources sonores) équipées avec des unités de filtrage et utiliser des algorithmes d’optimisation sous contrainte pour calculer ces filtres. Un espace confiné tel qu’un habitacle de véhicule comporte, dans un espace très réduit, une très grande diversité d’obstacles sur les chemins acoustiques et une très grande variété de matériaux, qu’ils soient réfléchissants comme le verre des vitres, ou absorbants, comme les tissus des sièges. Lorsqu’un véhicule est équipé d’un système de sonorisation multizone, il est nécessaire de réaliser une calibration initiale de ce système, pour chaque modèle de véhicule voire pour chaque véhicule, afin que le processeur du système de sonorisation qui commande l’ensemble des sources sonores des différentes zones d’écoute puisse déterminer pour chaque source sonore un filtre numérique, en tenant compte de tous les paramètres influant sur la propagation du son dans l’habitacle. Cette calibration permet que le système de sonorisation soit à l’usage le plus précis possible dans le calcul des filtres dans les différentes configurations de restitution, et notamment pour la configuration consistant à restituer des sons audibles par l’occupant d’une zone d’écoute et rendre ces mêmes sons non audibles par l’occupant du siège correspondant à l’autre ou à l’une des autres zones d’écoute. Une méthode connue pour calculer les filtres numériques à appliquer dans un système de sonorisation multizone est la méthode dite de « pressure matching ». Cette méthode utilise un algorithme de calcul de filtres qui permet de générer les filtres numériques à appliquer dans un réseau de sources sonores pour restituer un champ sonore souhaité au niveau de chaque zone d’écoute. La figure 1 illustre schématiquement la configuration nécessaire pour réaliser l’étape de calibration initiale. Dans l’exemple de la figure 1, on a représenté deux zones d’écoutes 1, 2 individuelles, correspondant par exemple chacune à l’un des appuie-têtes de deux sièges voisins d’un véhicule automobile. Pour chaque zone d’écoute 1, 2, on a représenté la zone 10, 20 normalement occupée par la tête d’un occupant du siège correspondant. Chaque zone d’écoute 1, 2 est sonorisée dans l’exemple au moyen de quatre sources sonores 12, 14, 16, 18, 22, 24, 26, 28, telles que des haut-parleurs. L’étape de calibration est réalisée en installant temporairement, à proximité de chaque zone d’écoute, une pluralité de microphones 100, 200 disposés de part et d’autre de la zone 10, 20 occupée par l’occupant du siège correspondant. Le nombre de microphones 100, 200 dépend du volume de la zone dans laquelle on souhaite contrôler les champs sonores, ainsi que de la bande de fréquences sur laquelle on souhaite réaliser ce contrôle. Dans l’exemple, on a disposé 24 microphones 100, 200 par zone d’écoute, soit 12 microphones de chaque côté de la place dévolue à la tête de l’occupant. Le but de l’étape de calibration initiale est de mesurer, pour chaque couple source sonore/microphone, une fonction de transfert. Dans l’exemple de la figure 1, dans lequel il est prévu au total 8 sources sonores et 48 microphones, l’étape de calibration initiale conduit donc au calcul de 384 fonctions de transfert. Cette mesure est effectuée en transmettant un signal connu aux différentes sources sonores et en mesurant le signal capté par chaque microphone. Pour calculer les filtres numériques à appliquer au signal transmis aux sources sonores, l’algorithme de calcul de filtres se base sur les fonctions de transfert entre les différentes sources sonores et les microphones 100, 200 disposés dans chacune des zones à contrôler, et sur les pressions cibles en chacun des emplacements des microphones utilisés lors de l’étape de calibration initiale (étant entendu que ceux-ci sont retirés à l’issue de cette étape de calibration). En d’autres termes, l’algorithme de calcul de filtres utilise en tant qu’entrées les fonctions de transfert de l’ensemble du système et le champ de pression acoustique souhaité dans les zones d’écoute, et restitue en sortie la meilleure combinaison de filtres numériques à appliquer aux différentes sources sonores. Comme visible sur la figure 2, qui représente deux appuie-têtes 3, 4 de siège de véhicule automobile, chaque appuie-tête étant équipé de quatre haut-parleurs L1-L4, L5-L8, il est nécessaire de déterminer au moins huit filtres numériques, un pour chaque haut-parleur. Pour que le système de sonorisation puisse générer des zones d’écoute différenciées, il est nécessaire de calculer au moins deux jeux de filtres, correspondant aux deux configurations d’écoute dans lesquelles une zone (i.e. la zone d’écoute Z1, resp. Z2) doit être sonorisée pendant que l’autre zone (i.e. la zone d’écoute Z2, resp. Z1) doit être silencieuse, ou du moins autant silencieuse que possible. La configuration d’écoute dans laquelle les deux zones doivent être sonorisées pourra être mise en œuvre en utilisant ces deux jeux de filtres. Un inconvénient réside dans le fait que les algorithmes connus déterminent un filtre par source sonore, chaque filtre étant calculé indépendamment. Ainsi, plus il y a de sources sonores, plus il y a de filtres à calculer, et plus ces calculs sont complexes et longs à effectuer. De plus, comme expliqué ci-dessus, le nombre de fonctions de transfert prises en compte dans les calculs peut être important, ce qui augmente le temps de calculs. Dans l’exemple de la figure 1, il est prévu 48 microphones 100, 200 pour huit sources sonores, ce qui implique la prise en compte de 384 fonctions de transfert. La présente invention a pour but d’améliorer les méthodes de calcul de filtres numériques de l’état de la technique, en proposant un procédé permettant de réduire considérablement les temps de calculs. À cet effet, l’invention concerne un procédé de calcul de filtres numériques à appliquer à des sources sonores d’un système de sonorisation à zones d’écoute différenciées, le système comportant un nombre total de sources sonores égal à L, le procédé comportant les étapes de : - imposer le filtre numérique à appliquer à au moins une source sonore ; - déterminer les filtres numériques à appliquer aux autres sources sonores, ou filtres non imposés, les filtres non imposés étant calculés en tenant compte de la contribution de la ou des sources sonores dont les filtres sont imposés. Ainsi, en imposant, pour au moins une partie des sources sonores du système, les filtres numériques qui sont appliqués, le procédé conforme à l’invention permet de ne calculer qu’une partie des filtres, c’est-à-dire uniquement les filtres non imposés, tout en tenant compte de la contribution au résultat final des sources sonores dont les filtres sont imposés. Le nombre de filtres à calculer est donc diminué, ce qui permet de diminuer considérablement les temps de calcul. Dans une réalisation, le procédé comporte une étape de calibration préalable, l’étape de calibration comportant : - disposer au moins une pluralité de microphones dans chaque zone d’écoute, le nombre total K de microphones étant supérieur au nombre total L de sources sonores, chaque microphone correspondant à un point de mesure ; - déterminer une fonction de transfert pour l’ensemble des combinaisons formées par une source sonore et un microphone, le nombre de combinaisons étant égal à K x L. Dans une réalisation, l’étape de déterminer les filtres non imposés comporte : - définir une pression acoustique cible initiale pour chacun des K points de mesure utilisés lors de l’étape de calibration ; - soustraire, pour chaque point de mesure, la contribution des sources avec filtres imposés à la pression cible initiale au moyen des fonctions de transfert déterminées lors d’une étape de calibration ; - supprimer de la matrice des fonctions de transfert utilisée pour le calculs des filtres, les fonctions de transfert associées aux sources sonores dont les filtres sont imposés ; - calculer les filtres non imposés. Dans une réalisation, le ou les filtres imposés sont choisis dans l’une ou l’autre des catégories suivantes : - les filtres à réponse impulsionnelle finie ; - les filtres à réponse impulsionnelle infinie. Dans une réalisation, les filtres calculés sont stockés dans une mémoire du système de sonorisation. Dans une réalisation, le système de sonorisation est un système embarqué à bord d’un véhicule automobile. L’invention concerne également un véhicule automobile comportant au moins deux sièges équipés chacun d’un appuie-tête, le véhicule comportant un système de sonorisation comportant des sources sonores disposées dans les appuie-têtes des sièges, le système de sonorisation étant configuré pour appliquer aux différentes sources sonores des filtres numériques déterminés conformément au procédé tel défini ci-dessus. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est un schéma illustrant une configuration de calibration de deux zones d’écoute voisines. La figure 2 illustre un système de sonorisation multizone, dans lequel les sources sonores sont disposées dans les appuie-tête de sièges tel que des sièges de véhicule automobile. La figure 3 illustre le système de la figure 2 dans lequel les filtres numériques appliquées aux différentes sources sonores sont calculés conformément à l’invention. On a représenté schématiquement sur les figures 2 et 3 un système de sonorisation dont les sources sonores sont disposées dans des appuie-tête 3, 4 de sièges, tels que des sièges avant d’un véhicule automobile. Chaque appuie-tête définit une zone d’écoute Z1, Z2, correspondant à la place dévolue à la tête de l’occupant du siège correspondant. Chaque appuie-tête 3, 4 comporte dans l’exemple quatre sources sonore, soit deux paires de haut-parleurs L1-L4, L5-L8. Deux des haut-parleurs L2, L3, L6, L7 sont orientés vers la zone d’écoute Z1, Z2 correspondante, tandis que deux haut-parleurs L1, L4, L5, L8 sont orientées vers l’extérieur de l’appuie-tête 3, 4. Comme illustré sur la figure 2, la mise en œuvre d’un algorithme de « pressure matching » conventionnel conduit à calculer un filtre numérique à appliquer à chaque haut-parleur, soit au total huit filtres F1-F8 pour le système de la figure 2. Ainsi qu’expliqué plus haut, cela implique de mesurer, au cours de l’étape de calibration initiale, toutes les fonctions de transfert qu’il est nécessaire de prendre en compte. Le calcul des filtres conformément à l’état de la technique implique donc de : - définir l’ensemble des pressions cibles, c’est-à-dire la pression cible en chaque point de mesure pris en compte lors de l’étape de calibration (c’est-à-dire en chaque point correspondant à la position d’un microphone) dans les zones à contrôler (zones d’écoutes Z1, Z2) ; - calculer tous les filtres F1-F8 en utilisant l’algorithme de calcul. Comme mentionné plus haut, un grand nombre de fonctions de transfert (384 dans l’exemple de la figure 1) doit être pris en compte, d’où un temps de calcul important. La figure 3 illustre le principe de fonctionnement de l’invention, dans le cas où l’une des zones (la zone Z1) est une zone de reproduction sonore et l’autre zone (la zone Z2) est une zone silencieuse. Dans un tel cas, conformément à l’invention, on applique aux haut-parleurs L2, L3 un filtre imposé F2’, F3’ préalablement au calcul, par exemple un filtre de type passe-tout (connu sous la dénomination anglaise « all-pass »). Les filtres imposés F2’, F3’ pourront être de tout type adapté, par exemple de type passe-tout, passe-bas, passe-haut, ou une combinaison de différents types de filtres. Plus généralement, les filtres mis en œuvre seront choisis dans l’une ou l’autre des catégories suivantes : la catégorie de filtres à réponse impulsionnelle finie et la catégorie des filtres à réponse impulsionnelle infinie. Ainsi, au lieu de calculer les filtres F2 et F3 comme dans l’état de la technique, les filtres F2’ et F3’ sont imposés (fixés) avant le calcul et leur contribution au résultat final est soustraite du calcul, tout en prenant en compte ces filtres imposés F2’, F3’ comme données d’entrées pour l’algorithme de calcul, puisqu’ils contribuent à la reproduction sonore finale. Ainsi, conformément à l’invention, on peut procéder en mettant en œuvre les étapes suivantes : - définir les pression cibles (initiales) dans les zones à contrôler (zones d’écoute Z1 et Z2), c’est-à-dire la pression cible en chaque point de mesure ; - déterminer des pressions cibles finales, ces pressions cibles finales étant déterminées à partir des pressions cibles initiales, en soustrayant la contribution des sources sonores L2, L3 avec filtres imposés F2’, F3’ à la pression cible initiale au moyen des fonctions de transfert mesurées lors de l'étape de calibration ; - supprimer, de la matrice des fonctions de transfert utilisée pour les calculs, les fonctions de transfert associées aux sources sonores L2, L3 dont les filtres sont imposés. - calculer les filtres non imposés, dans l’exemple les filtres F1’, F4’, F5’, F6’, F7’ et F8’. Ainsi, dans l’exemple, on diminue de 25% le nombre de filtres à calculer (6 filtres au lieu de 8), et également de 25% la taille de la matrice des fonctions de transfert utilisée pour les calculs (288 fonctions de transfert au lieu de 384). Grâce à l’invention, le nombre de filtres calculés est diminué, et la taille des matrices manipulées lors des calculs est également diminuée. Il en découle les avantages suivants : le calcul des filtres est moins sensible au bruit ; le calcul des filtres est plus rapide ; il y a moins de filtres à stocker (dans l’ exemple 6 au lieu de 8 soit une diminution de 25%). On détaille ci-après un exemple de calcul de filtres conforme à l’état de la technique et un exemple de calcule de filtre conforme à l’invention. De façon préliminaire, il est précisé que les exemple de calculs qui suivent sont réalisés en utilisant une approche fréquentielle du problème. Toutefois, d’autres approches sont possibles, pour lesquelles les mêmes principes s’appliquent, et notamment l’approche temporrelle. Les calculs ci-dessous sont donnés en exemple pour une configuration à deux zones d’écoute BR, DK (correspondant par exemple aux zones Z1 et Z2 des figures), dans une configuration d’écoute où la zone d’écoute BR est sonorisée et où la zone DK doit rester silencieuse. Calcul selon l’état de la technique : Pour une fréquence angulaire ( ) donnée, la pression perçue par le microphone dans la zone BR est donnée par la formule ci-dessous : où est le poids complexe affecté à la source à la fréquence et est la fonction de transfert entre le microphone and la source sonore (avec un nombre total de L sources sonores). La même formule peut être adaptée pour la zone DK. En considérant qu’on utilise un nombre K de microphones pour chacune des deux zones (lors de l’étape de calibration), la pression pour l’ensemble des microphones peut être exprimée en utilisant une matrice dans laquelle : où est le vecteur à K lignes et 1 colonne des pressions complexes dans la zone BR, BR, est la matrice à K lignes et L colonnes des fonctions de transfert complexes, et où : Est le vecteur à L lignes et 1 colonne des poids complexes ( ). Pour simplifier l’écriture, le terme est écrit q par la suite. Les filtres sont finalement donnés par l’équation suivante : Calcul selon le procédé conforme à l’invention : Dans les procédés de calcul connus utilisant un algorithme dit de « pressure matching », comme explicité ci-dessus, chaque filtre est considéré comme une variable et doit être calculé. Comme montré ci-dessous, le procédé de calcul conforme à l’invention permet d’éviter le calcul de la totalité des filtres, en forçant (imposant) une partie des filtres et en ne calculant que les filtres restants (c’està-dire les filtres non imposés). En considérant que dans le vecteur il y a un nombre de poinds complexes ( ) que l’on souhaite forcer (imposer) ; il reste donc un nombre égale à de poids complexes ( ) à calculer. Ainsi, le vecteur des poids complexes peut être exprimé sous la forme suivante : avec . De façon analogue, dans la matrice , certaines des fonctions de transfert ( ) sont celles impliquant les sources sonores pour lesquelles on a forcé les filtres, les autres fonctions de transfert ( ) sont celles relatives aux filtres restant à calculer. On peut ainsi exprimer la matrice G sous la forme : Dans laquelle Gbs, Gbf correspondent aux fonctions de transfert relatives à la zone BR, et Gds, Gdf correspondent aux fonctions de transfert relatives à la zone DK. Ainsi, en prenant compte ces éléments dans la définition de l’erreur : Ou, de façon plus concise : Comme les filtres forcés (imposés) sont connus, les pressions résultantes peuvent être calculées ( ) et soustraites des pressions cibles initiales . Ainsi de nouvelles pressions cibles peuvent être déerminées comme étant: , ces nouvelles pressions cibles tenant compte des effets des filtres imposés. Ainsi, une nouvelle matrice de fonctions de transfert, plus petite, peut être utilisée. Cette nouvelle matrice , de 2K lignes mais seulement (L-N) colonnes, contient seulement les données relatives aux sources sonores dont les filtres ne sont pas forcés. En outre, le vecteur est un vecteur à L-N lignes et 1 colonne, et est donc de taille plus réduite, ce qui facilite là encore les calculs. Ainsi, en utilisant la notation matrice, l’erreur est exprimée de la façon suivante : De même que pour le procédé de calcul connu, l’expression des poids complexe est déterminé en utilsant la nouvelle formulation de l’erreur , comme exprimé dans la formule suivante : Toutefois, il est important de noter que dans le procédé de calcul conforme à l’invention, les filtres forcés ( ) sont connus et n’ont donc pas besoin d’être calculés. Ainsi, le nombre de poids complexes à calculer, de même que la taille des matrices des fonctions de transfert complexes, est réduit. Procédé de calcul de filtres numériques à appliquer à des sources sonores d’un système de sonorisation à zones d’écoute (Z1, Z2) différenciées, le système comportant un nombre total de sources sonores égal à L, le procédé comportant les étapes de : - imposer le filtre (F2’, F3’) numérique à appliquer à au moins une source sonore (L2, L3) ; - déterminer les filtres (F1’, F4’-F8’) numériques à appliquer aux autres sources sonores (L1, L4-L8), ou filtres non imposés, les filtres non imposés (F1’, F4’-F8’) étant calculés en tenant compte de la contribution de la ou des sources sonores (L2, L3) dont les filtres (F2’, F3’) sont imposés. Procédé selon la revendication précédente, comportant une étape de calibration préalable, l’étape de calibration comportant : - disposer au moins une pluralité de microphones dans chaque zone d’écoute, le nombre total K de microphones étant supérieur au nombre total L de sources sonores, chaque microphone correspondant à un point de mesure ; - déterminer une fonction de transfert pour l’ensemble des combinaisons formées par une source sonore et un microphone, le nombre de combinaisons étant égal à K x L. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de déterminer les filtres non imposés (F1’, F4’-F8’) comporte : - définir une pression acoustique cible initiale pour chacun des K points de mesure utilisés lors de l’étape de calibration ; - soustraire, pour chaque point de mesure, la contribution des sources avec filtres imposés à la pression cible initiale au moyen des fonctions de transfert déterminées lors d’une étape de calibration ; - supprimer de la matrice des fonctions de transfert utilisée pour le calculs des filtres, les fonctions de transfert associées aux sources sonores dont les filtres (F2’, F3’) sont imposés ; - calculer les filtres non imposés (F1’, F4’-F8’). Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le ou les filtres imposés (F2’, F3’) sont choisis dans l’une ou l’autre des catégories suivantes : - les filtres à réponse impulsionnelle finie ; - les filtres à réponse impulsionnelle infinie. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les filtres calculés sont stockés dans une mémoire du système de sonorisation. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de sonorisation est un système embarqué à bord d’un véhicule automobile. Véhicule automobile comportant au moins deux sièges équipés chacun d’un appuie-tête, le véhicule comportant un système de sonorisation comportant des sources sonores disposées dans les appuie-têtes des sièges, le système de sonorisation étant configuré pour appliquer aux différentes sources sonores des filtres numériques déterminés conformément au procédé selon l’une des revendications précédentes.