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UNIVERSITE DU MAINE

Rapport de stage en vue de l’obtention du diplôme de Technicien en mesures acoustique et vibratoires DEUST VAS 2

Mesure de fonctions de transfert de l’oreille en champ proche par la méthode de mesure inversée LENOGUE Robin

Stage réalisé à l’Institut de Recherche et Coordination Acoustique Musique 1, Place Stravinsky 75004 PARIS

Encadrant : Khoa-Van Nguyen, étudiant en thèse. Co-encadrants : Markus Noisternig et Olivier Warusfel. Correspondant : M. Laurent SIMON, professeur à l’université du Maine.

Année 2009


Mesures de fonctions de transfert d’oreille en champ proche par la méthode de mesure inversée

Table des matières Remerciements ...................................................................................................................................................................................... 3 Introduction ............................................................................................................................................................................................4 1. Présentation de l’Institut de Recherche et Coordination Acoustique Musique (IRCAM) .......................................... 5 1.1. L’IRCAM – Généralités................................................................................................................................................. 5 1.2. L’équipe Acoustique des salles......................................................................................................................................5 2. Description et traitement d’une mesure de réponse impulsionnelle relative à la tête (HRIR) .................................... 6 2.1. Introduction sur la technologie binaurale......................................................................................................................6 2.2. Technique générale de mesure de réponse impulsionnelle........................................................................................6 2.2.1.

Réponse Impulsionnelle et Déconvolution...................................................................................................7

2.2.2.

Choix du signal d’émission.............................................................................................................................7

2.2.3.

Post-traitement des mesures : égalisation...................................................................................................... 8

2.3. Le matériel à disposition................................................................................................................................................. 8 2.3.1.

Structures fixes..................................................................................................................................................8

2.3.2.

Informatique......................................................................................................................................................9

2.3.3.

Matériel de mesure........................................................................................................................................... 9

3. Déroulement des mesures .................................................................................................................................................... 10 3.1. HRTF sur sujets................................................................................................................................................................ 10 3.2. HRTF inverse................................................................................................................................................................... 12 3.2.1.

Validation de la méthode de mesure inverse : mesure sur tête artificielle................................................ 13

3.2.2.

Mesure directe...................................................................................................................................................13

3.2.3.

Mesure inverse..................................................................................................................................................14

3.3. HRTF inverse en distance............................................................................................................................................... 17 Conclusion ..............................................................................................................................................................................................21 Glossaire .................................................................................................................................................................................................22 Bibliographie ..........................................................................................................................................................................................23 Annexes ..................................................................................................................................................................................................24 Résumés en Français et Anglais ..........................................................................................................................................................56

Note : Tout au long du document, les notes « n » renvoient au Glossaire (p.20), les [n] à la Bibliographie (p.21). Les équations quant à elles sont notées {n}. 2009

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Remerciements Je tiens tout d’abord à remercier M. Koah-Van Nguyen, doctorant expérimenté et pédagogue qui m’a assisté pour chacune des campagnes de mesure et m’a enseigné de nombreux outils de programmation. Je suis reconnaissant envers M. Markus Noisternig pour avoir résolu avec une habileté déroutante différents problèmes qui se sont posés à Eric et moi, et pour m’avoir permis de pratiquer l’anglais à maintes reprises. Je tiens également à présenter mes remerciements à M. Olivier Warusfel qui a soutenu mes efforts durant toute la durée du projet. Un grand merci va à l’ingénieur stagiaire Eric Boyer pour sa présence rassurante et ses précieuses compétences en programmation. Je remercie chaleureusement les techniciens et mécaniciens M. Gérard Bertrand et M. Alain Terrier pour le secours apporté lors des mises en place de différentes mesures, ainsi que M. Laurent Ghys pour son entrain et ses connaissances informatiques qui m’ont rendu le travail de traitement des données souvent plus facile. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à l’équipe Acoustique des salles, qui s’est montrée très avenante et dont la bonne ambiance a aidé à mon intégration. Merci enfin à l’IRCAM pour m’avoir permis de réaliser ce stage de fin de formation dans des conditions inespérées.

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Introduction L’Institut de Recherche et de Coordination Acoustique Musique (IRCAM) de Paris est un centre d’étude dédié à la musique contemporaine. Il est au service de la création d’œuvres musicales, qu’il assiste de la conception à la diffusion. L’équipe Acoustique de Salles étudie les différents aspects de la diffusion sonore et de la perception auditive. Cette équipe développe plusieurs technologies de reproduction ou spatialisation sonore tridimensionnelle. De telles technologies sont employées dans le domaine de la réalité virtuelle ou augmentée. Parmi elles, le binaural est un procédé de reproduction sonore au casque d’écoute. Son principe général repose sur l’enregistrement d’un signal sonore au plus proche du tympan humain. La fonction de transfert acoustique qui en résulte consigne un ensemble d’indices acoustiques issus des effets de diffraction sur la tête et le torse de l’individu. Sous la forme d’une paire de filtres acoustiques, elle peut être appliquée sur n’importe quel signal monophonique pour lui conférer les caractéristiques de localisation tridimensionnelle de la source. La fonction de transfert binaurale est spécifique à la tête étudiée. Elle est couramment désignée par son acronyme anglais HRTF : « Head Related Transfer Function ». Une HRTF est la représentation fréquentielle (Transformée de Fourier) d’une mesure de réponse impulsionnelle relative à la tête : HRIR (« Head Related Impulse Response »). La mesure de HRIR est connue et pratiquée régulièrement sur des individus volontaires. Une HRIR est habituellement mesurée en insérant une paire de microphones dans les deux oreilles du sujet, qui captent un signal émis par un haut-parleur situé à deux mètres. Cependant, Zotkin a proposé en 2003 [1] une méthode alternative qui consiste à inverser les positions de la source et du récepteur. L’IRCAM dispose depuis 2002 d’un dispositif de mesure de HRIRs par la méthode directe. Le premier objectif du stage est de mettre en place la nouvelle méthode de mesure inversée. Il revêt donc un caractère exploratoire vis-à-vis de la mesure inverse. C’est une méthode qui doit être évaluée, et ses performances vérifiées. Les possibilités offertes par la méthode inverse sont alors nombreuses. L'avantage principal est de pouvoir mesurer en même temps des HRIRs à différentes positions en positionnant plusieurs microphones autour de la source. D'une part en plaçant les capteurs à distance constante, la méthode inverse concède un gain de temps non négligeable par rapport à la mesure directe. D'autre part, si les microphones se trouvent à différentes distances de la tête, la méthode inverse permet de caractériser de nouvelles régions spatiales, et plus particulièrement le champ proche. La mesure en champ proche permet de récolter de nouvelles connaissances dans cette région. Elle peut également servir à développer des méthodes de prédiction de champ sonore (du champ proche vers le champ lointain, et vice versa). Ce compte-rendu récapitule le contexte et les mesures effectuées lors de ce stage. Il s’articule en trois parties distinctes. La première présente de manière générale l’Institut de Recherche et de Coordination Acoustique Musique. La seconde introduit les éléments théoriques et physiques nécessaires à la mesure des HRIRs et à leur post-traitement. Enfin, la dernière section expose les différentes mesures réalisées durant le stage. Cette dernière énumère trois configurations d’études de fonctions de transfert binaurales éprouvées. Elles sont déclinées en HRTF sur sujets, HRTF inverse et HRTF en distance.

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1. Présentation de l’Institut de Recherche et Coordination Acoustique Musique (IRCAM) L’IRCAM est un centre dédié à la recherche scientifique et à la création musicale contemporaine qui développe trois axes principaux : création, recherche et transmission. Les membres de cet établissement, outre les administratifs, sont répartis en 8 équipes dédiées à la recherche et au développement de diverses technologies liées à la musique contemporaine et l’acoustique en général. 1.1. L’IRCAM - Généralités Fondé en 1969 par Pierre Boulez, l’IRCAM est associé au centre national d’art et culture Georges Pompidou et se trouve sous la tutelle du ministère de la culture et de la communication. Depuis 1995, cet institut est en partenariat avec le CNRS dans le cadre d’une Unité Mixte de Recherche (UMR) Science et Technologie de la Musique et du Son (STMS). L'institut est dirigé depuis 2006 par Frank Madlener, avec pour directeur scientifique Hugues Vinet.

Figure 1 : Le bâtiment de l’IRCAM, devant la fontaine Igor Stravinski

L’IRCAM, dont le bâtiment est présenté en figure 1, est un centre de recherche à la pointe des innovations scientifiques et technologiques dans les domaines de la musique et du son [2]. Partenaire de nombreuses universités et entreprises internationales, ses recherches couvrent un spectre très large : acoustique, traitement de signal, informatique (langages, temps réel, bases de données, interfaces homme-machine), musicologie, cognition musicale [3]. Ces travaux trouvent des applications dans d'autres domaines artistiques comme le multimédia, les arts plastiques ou le spectacle vivant, ainsi que des débouchés industriels (télécommunications, informatique, automobile et transports...). 1.2. L’équipe acoustique des salles L’IRCAM accueille en permanence compositeurs, chercheurs, étudiants, enseignants, stagiaires, qui travaillent au sein de nombreux départements : Perception et Design Sonores, Analyse & Synthèse des Sons, Représentations Musicales, Analyse des Pratiques Musicales, Interaction Musicales Temps Réel, Services en Ligne, Acoustique Instrumentale et Acoustique des Salles. Ces équipes forment une continuité logique dans la l’élaboration de musique contemporaine : de l’analyse des pratiques musicales à l’étude de l’acoustique de salles où son œuvre sera projetée, le compositeur est soutenu par l’IRCAM. Malgré ma présence dans les bureaux d’Acoustique Instrumentale (positionnés en face de la chambre anéchoïque), c’est au département Acoustique des Salles (AdS) que se rattache le stage. L’activité de cette équipe réside dans l’analyse, la reproduction et la synthèse d’espaces sonores, c'est-à-dire la localisation dans l’espace des sons et la signature acoustique de l’environnement considéré. Différentes technologies de synthèse de spatialisation sonore sont étudiées par AdS. Parmi elles, la WFS (Wave Field Synthesis), le format HOA (High Order Ambisonic) ou le binaural trouvent leurs applications dans les domaines des réalités virtuelle ou augmentée. Le stage porte sur la technologie binaurale.

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2. Description et traitement d’une mesure de réponse impulsionnelle relative à la tête (HRIR) La mesure de HRIR est à la base technologie binaurale. Celle-ci sollicite des notions théoriques d’acoustiques permettant de manipuler les enregistrements par le biais de réponses impulsionnelles. L’acquisition en elle-même nécessite un matériel spécifique pris en main et utilisé avec soin lors de chacune des campagnes de mesures. 2.1. Introduction sur la technologie binaurale Le stage de technicien proposé par l’IRCAM concerne la mesure en champ proche de fonctions de transfert binaurales utilisées pour la reproduction sonore en trois dimensions sur casque d’écoute. Cette technique consiste à mesurer la fonction de transfert acoustique entre une source placée dans une direction donnée de l’espace et chacun des conduits auditifs d’un individu ou d’une tête artificielle. Cette fonction de transfert, nommée HRTF, rassemble en une paire de filtres gauche et droit un ensemble d’indices acoustiques prenant leur origine dans les effets de diffraction sur la tête et le torse de l’individu. Le système auditif utilise ces indices pour inférer son jugement de localisation la source. Les deux filtres binauraux peuvent être ensuite employés pour traiter n’importe quel signal monophonique et lui conférer ainsi les caractéristiques de localisation tridimensionnelle de la source. Ce procédé de synthèse binaurale est schématisé en figure 2. Ne reposant sur aucune approximation ou modèle d’audition, cette technique est a priori la plus exacte en termes de qualité de reproduction.

Figure 2 : Principe de synthèse binaurale

Dans la pratique cependant, les différentes mesures sont souvent effectuées à une distance constante et dans des conditions de champ lointain. Or les études montrent que lorsque la distance entre la source et l’auditeur devient faible (< 50 cm), les filtres binauraux issus de mesures en champ lointain ne sont plus adaptés à la synthèse de sources sonores en champ proche. Il est donc important de caractériser l’évolution des fonctions de transfert binaurales pour des distances proches de l’auditeur. Le but du stage est de constituer une base de données de fonctions de transfert d’oreille sur une tête artificielle à différentes distances par une méthode de mesure telle que celle proposée par D.N. Zotkin [1] : la mesure inversée. Contrairement à la mesure directe, la source est placée dans l’oreille de la tête artificielle et captée par un microphone placé en dehors de la tête. En plaçant plusieurs microphones à la fois, il est alors possible de profiter des particularités de cette méthode pour effectuer des mesures à différentes positions spatiales (différentes distances en l’occurrence) en un même temps. L’étude du champ proche s’accompagne alors d’un gain de temps de mesure total. 2.2. Technique générale de mesure de réponse impulsionnelle L’étude des HRTFs et leur traitement sont effectués par le biais de leur réponse impulsionnelle. Cette réponse est issue d’une méthode de transformation du signal émis appelé la déconvolution. Appliquée au signal utilisé, cette méthode permet de traiter les données issues du système de mesure dans son ensemble. La dernière étape de traitement, l’égalisation, consiste donc à n’observer que la réponse de la tête, en se débarrassant des contributions des haut-parleurs et microphones. 2009

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2.2.1. Réponse Impulsionnelle et Déconvolution La réponse impulsionnelle d’un système est une représentation temporelle de la sortie du système en réponse à une impulsion. Mathématiquement, cette impulsion est modélisée par une distribution théorique et idéale de Dirac (t), qui fournit une énergie égale à toutes les fréquences du spectre. La réponse impulsionnelle ri(t) d’un système « haut-parleur / sujet / microphone » h(t) peut donc être modélisée comme suit, si « » est le symbole de la convolution : ri(t) = h(t)

(t).

{a}

Le principe de déconvolution est une méthode de traitement de signal. Elle utilise le signal émis e(t) pour reconstituer un signal impulsionnel en se servant de son inverse e-1(t). De cette manière, si les données mesurées s(t) forment la réponse du système h(t) à un signal d’excitation e(t), ce signal de sortie s(t) peut être représenté : s(t) = h(t) e(t).

{b}

Or, pour un signal x(t), et x-1(t) son inverse, l’impulsion de Dirac (t) garantit : (t) = x(t) x-1(t).

{c}

Donc la réponse impulsionnelle du système h(t) est donnée par l’opération suivante : ri(t) = s(t) e-1(t),

{d}

où e-1(t), connu est l’inverse du signal émis e(t). Cette opération {d} est appelée la déconvolution. Une fois celle-ci appliquée, la réponse impulsionnelle obtenue est utilisée telle quelle, ou après une transformée de Fourier sous sa forme fréquentielle. 2.2.2. Choix du signal d’émission e(t) Le choix du signal d’émission était initialement partagé entre séquence MLS et sinus glissant. Le signal MLS (Maximum Length Sequence) est une séquence périodique qui s’apparente à un bruit blanc, mais dont chaque échantillon est connu. Il est utile car il permet de réduire le bruit de la mesure par moyennage. Le sinus glissant est un signal sinusoïdal dont la période temporelle diminue logarithmiquement ou linéairement, balayant l’ensemble des fréquences (audibles, par exemple : 20Hz – 20kHz). A. Farina [4] a montré que ce signal, associé au principe de déconvolution s’affranchissait mieux du bruit résiduel (cf. figure 3). Le choix a donc été fait d’émettre un sinus glissant logarithmique lors des mesures. D’autres méthodes de réduction du bruit de fond existent, une étude a d’ailleurs été réalisée (cf. ANNEXE 5) pour évaluer « l’influence de l’ordre et de la répétition du signal émis » sur les acquisitions.

Figure 3 : Comparaison des réponses impulsionnelles de deux mesures réalisées avec un signal MLS (en haut) et un sinus glissant (en bas) 2009

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2.2.3. Post-traitement des mesures : égalisation Après la déconvolution, un signal dépendant du système complet « haut-parleur / sujet / microphone » est obtenu. Celui-ci peut-être évoqué par les appellations « HP / HRIR / MIC », où HRIR signifie « Head Related Impulse Response » ; d’où : ri(t) = hp(t) hrir(t) mic(t).

{e}

Le procédé d’égalisation permet de s’affranchir des réponses individuelles du haut-parleur et du microphone. Deux méthodes d’égalisation existent : l’égalisation champ libre et champ diffus. Le principe général de ces 2 méthodes est de déconvoluer chacune des mesures par une HRIR de référence. Par la même occasion, ce filtrage permet d'enlever les contributions des microphones et du HP utilisé. En champ libre4, la HRIR de référence est la HRIR mesurée en incidence frontale (0° d’azimut et d’élévation), à l’aide d’un matériel supposé parfait5. L’inverse de cet enregistrement est employé en tant que filtre sur toutes les mesures, il retranche ainsi de manière simple la contribution du matériel utilisé. Ceci peut-être modélisé par : hrir(t) = ri(t) hp-1(t) mic-1(t).

{f}

Le champ diffus6 est habituellement mesuré en chambre réverbérante. En l’absence de chambre réverbérante à notre disposition, une méthode alternative est employée. Elle consiste à estimer la HRIR diffuse par une moyenne spatiale pondérée de tous les différents points de mesures. La méthode d’égalisation en champ diffus a été préférée car elle permet de calculer des filtres d’égalisation plus « doux », sans nécessiter de mesures supplémentaires. A l’issue de ce processus d’égalisation, nous avons donc une caractérisation de la diffraction spatiale de la personne mesurée en fonction de la direction de la source. Ces mesures égalisées sont en général appelées Directional Transfer Functions (DTFs). Par souci de simplicité, cet acronyme est ignoré dans le reste du document.

Figure 4 : Surface de Voronoï : la pondération affectée aux différents points de mesure est proportionnelle à la surface du polygône qui l’entoure

2.3. Le matériel à disposition. L’IRCAM met à la disposition de la recherche en acoustique une instrumentation de qualité. Les outils exploités lors de ce stage de technicien se distinguent en 3 catégories : structures fixes, équipement informatique et matériel de mesure. 2.3.1. Structures fixes La chambre anéchoïque de l’IRCAM est la pièce où se déroulent la majorité des mesures effectuées lors du stage. Ses murs sont tapissés de dièdres de laine de roche (fond, côtés et plafond) et de mélamine1 (entrée, porte et plancher), comme le montre la figure 5. Elle comporte deux structures indépendantes : la table tournante et le bras

Figure 5 : Chambre anéchoïque de l’IRCAM, vue de l’entrée

mécanique. 2009

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Le bras mécanique, construit et installé par les technicien et mécanicien permanents de l’IRCAM, est contrôlé par commande MIDI ou manuelle. Il permet des élévations2 de - 40° à + 90° autour du point central de la salle, point signalé par 3 lasers de positionnement. En plus des nombreuses altitudes permises par le bras, une table tournante associée à son module de commande « Brüel&Kjaer » (contrôlé par commande DOS) supporte les éléments de mesure et peut les placer à tous les

Figure 6 : Bras mécanique (en blanc) et table tournante (au sol) de la chambre sourde azimuts désirés, de 1° à 360°. Ces structures majeures de la chambre sourde sont 3

représentées sur la figure 6. Deux tableaux de branchement font le lien avec les systèmes d’amplification et d’acquisition informatique des données situés à l’extérieur de la chambre anéchoïque (cf. ANNEXE 1). 2.3.2. Informatique L’informatique, et à caractère plus restreint l’électronique, est une composante importante dans la mesure. C’est pourquoi l’IRCAM dispose d’un technicien électronicien permanent, qui produit ou paramètre bon nombre des appareils employés. A proximité de la chambre anéchoïque, l’expérimentateur dispose d’un PC (Microsoft Windows XP) dédié aux mesures. Les programmes et logiciels utilisés sont MatLab® (versions R2006a & R2008b) pour la programmation, associé à MaxMSP (version 4.5). MaxMSP, couramment désigné par le diminutif Max, est un logiciel de programmation graphique et de contrôle de périphériques externes crée et développé à l’IRCAM. L’annexe 2 présente graphiquement l’environnement MaxMSP usité. C’est Max qui reçoit les ordres de MatLab® et les envoie à la carte son (pour l’émission ou l’acquisition audio), au contrôle midi (pour le bras mécanique) ou au contrôle Brüel&Kjaer de la table tournante. Les programmes, rédigés en anglais, sont ceux étudiés auparavant pour les premières mesures de HRIRs, modifiés et complétés suivant leur application à chacune des nouvelles mesures. Un exemple maître de programme informatique MatLab® (« batch ») est placé en ANNEXE 3. 2.3.3. Matériel de mesure Le matériel constituant la chaîne de mesure varie parfois entre deux expérimentations. Cependant, beaucoup d’appareils audio sont utilisés de la même manière ou se ressemblent de près. Par exemple, l’émission et la réception sont gérées par des cartes audio « RME » DigiFace HDSP, MultiFace HDSP ou FireFace (cf. figure 7). Leur différence réside essentiellement dans les entrées et sorties analogiques ou numériques qu’elles proposent. Leur diversité les rend précieuses à chaque expérience : une même mesure peut être effectuée avec différentes cartes RME coup sur coup. En effet, des manipulations prioritaires à l’IRCAM peuvent nécessiter la particularité de l’une ou l’autre de ces cartes son. Les microphones sont habituellement alimentés et préamplifiés par des boîtiers prototypes, faits maison ou, le cas échéant (microphones de mesures,…), par du matériel « Brüel&Kjaer ». L’amplification quant à elle est assurée par un amplificateur Yamaha P2040 ; ou simplement par la carte son pour le haut-parleur miniature (faible puissance). La tête artificielle « Head Acoustics » étudiée lors de différentes mesures détient ses propres microphones. L’annexe 4 fournit toutes les précisions nécessaires et les spécifications techniques du matériel de mesure utilisé pour l’étude des différentes HRTFs. 2009

Figure 7 : Cartes son RME utilisées : DigiFace HDSP, MultiFace HDSP, FireFace 400 et FireFace 800 Page 9


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3. Déroulement des mesures Les aspects théoriques développés ci-dessus interviennent dans chacune des mesures effectuées dans le cadre de ce stage. Dorénavant, l’expression mesure de HRTF est employée par abus de langage de la même manière que mesure de HRIR. Ces mesures suivent la logique de l’intitulé « Mesures de fonctions de transfert d'oreille en champ proche par la méthode de mesure inversée » à peu de chose près. Ce titre invite à 3 types d’enregistrements différents, accomplis à l’IRCAM dans l’ordre chronologique suivant : mesures de fonctions de transfert d'oreille, mesures de fonctions de transfert d’oreille par la méthode inversée et mesures de fonctions de transfert d’oreille en champ proche. La première campagne comporte ainsi les acquisitions obtenues par la méthode directe. Elle permet de découvrir et prendre en main le matériel à disposition, et se divise en 2 parties. Premièrement ce sont des HRTFs sur sujets - donc d’oreilles humaines - qui sont mesurées. Deuxièmement, et en préparation de la mesure inversée, c’est une tête artificielle qui est étudiée. Dans la suite du document, les 3 campagnes sont appelées plus succinctement : -

HRTF pour « Head Related Transfer Function »,

-

Rhrtf pour « Reverse HRTF », et

-

DRhrtf pour « Distance Reverse HRTF ».

L’ordre de description des mesures suit la chronologie au fil de laquelle elles ont été réalisées : HRTF, Rhrtf, DRhrtf. Chacun des paragraphes suivants présente le protocole des mesures, les résultats qui en découlent et les problèmes éventuels rencontrés dans chacune des trois campagnes. 3.1. HRTF sur sujets La première utilisation concrète de la chaîne de mesure détaillée dans le 2.3. réside dans la mesure de HRTF. Ce type d’enregistrement a déjà été pratiqué auparavant, notamment par d’anciens stagiaires, et ses résultats sont utilisés par de nombreux chercheurs de l’IRCAM. En effet le protocole de mesure de HRTF [5] est en place depuis 2002. Utilisé depuis plus de 5 ans, il est donc connu et validé. Les mesures sont seulement réalisées lorsque de nouveaux volontaires demandent à connaître leurs HRTFs. En avril se sont présentés G. L. (IRCAM), T. C. (IRCAM), N. M. (LIMSI7) et M. R. (LIMSI7). Quatre mesures de HRTFs se sont donc succédées, selon la même procédure : les sujets se procurent des moules en silicone, empreintes malléables de leur conduit auditif, dans lesquels sont placés les microphones binauraux. Plusieurs photographies normées du faciès et de la physionomie de l’oreille sont prises (un exemple de profil photographique est présenté en ANNEXE 6).

Figure 8 : Cellule microphonique Knowles

Les deux microphones de mesure utilisés sont des capteurs à électret8 de marque Knowles. Ils ont l’avantage d’être très petits (cf. figure 8) tout en gardant un Rapport Signal sur Bruit (RSB) correct (d’environ 40dB). Ils sont insérés dans les moules avec précaution, et vérifiés entre chaque partie de la mesure : il arrive parfois que les cellules microphoniques glissent au contact du silicone et sortent de leur support. Une étape de pré-calibration en champ libre (sans sujet) insérée en amont du programme informatique permet de vérifier le bon fonctionnement de la paire de microphones et d’obtenir une mesure de référence de la salle avec ces capteurs. 2009

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La mesure de HRTF nécessite seulement 2 voies d’entrées pour la paire de microphones binauraux, mais 3 voies de sortie pour 3 haut-parleurs électrodynamiques ELAC 301 indépendants. Un système de communication intérieur/extérieur contrôlé par un programme MaxMSP est également installé et utilisé entre chaque partie de la mesure. Il est composé d’un microphone de chant (électrodynamique) qui s’ajoute aux deux entrées des capteurs de mesure, et d’une boucle interne à la carte son qui emprunte les haut-parleurs présents dans la chambre pour dialoguer avec le sujet. Les microphones binauraux sont assez sensibles pour que la personne enfermée soit entendue de l’extérieur pendant les moments de communication, via une enceinte retour. Le schéma de la figure 9 représente la manière dont les éléments de la mesure sont câblés et alimentés, dans et hors de la chambre anéchoïque.

2 3

1

Bras mécanique Haut-parleurs électrodynamiques

Moteur bras

Table tournante

Lasers

Microphones binauraux

Sujet

Moteur table

Tableau de branchements intérieur à la chambre anéchoïque

Préamplificateur

Intérieur de la chambre anéchoïque Extérieur de la chambre anéchoïque PC de mesure

RME MultiFace (ou FireFace)

Microphone et retour de communication

Tableau de branchements extérieur

Amplificateur

Figure 9 : Schéma de montage de l’expérience HRTF sur sujet

Cette mesure ayant déjà été pratiquée de nombreuses fois auparavant, peu de problèmes sont apparus comme gênants. Seule une baisse de régime des microphones est remarquée dès les premières mesures. Elle est due au boîtier de préamplification alimenté par pile 9V. Il est donc important de changer les piles entre chaque mesure.

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Après la précalibration s’enchaînent trois étapes ordonnées de la mesure : « checklevel », « real measure » et « postcalibration ». Une fois le sujet positionné au centre de la pièce (assis sur une chaise), la vérification du niveau des microphones (étape « checklevel ») permet de prévenir des éventuelles saturations. La photographie présentée en figure 10 illustre le contexte de l’étude. La mesure réelle est ensuite lancée, en s’assurant que la personne n’éprouve aucune gêne ou aucun mal-être durant les 2 heures d’immobilité que le procédé impose. L’image de la figure 11 est prise pendant l’enregistrement des HRTFs de N. M. (LIMSI). Le sujet est alors soumis à l’écoute d’autant de séries de 3 sinus glissants (émis par 3 haut-parleurs) qu’il y a d’élévations et

Figure 10 : Contexte de la mesure de HRTF sur sujet (avec la dite "chaise du cobaye")

d’azimuts. Ceci génère une sphère de points de mesures autour de lui. Une fois cette étape terminée, une post-calibration des microphones est effectuée dans le même environnement que lors de la pré-calibration. Une déconvolution est nécessaire entre chaque étape pour visualiser une réponse impulsionnelle brute à partir d’un sinus glissant (cf. 2.2.1. « Déconvolution »). Ces trois étapes permettent l’acquisition de données sous la forme de fichiers « .sin » et « .sre ». Le fichier « .sin » (~2Ko) contient une liste d’informations sur les caractéristiques de la mesure : type de signal envoyé, échantillonnage, etc. Le fichier « .sre » (de 100 à 800 Ko) est le fichier de données de la mesure. Ce sont ces répertoires qui serviront à compiler et afficher sous MatLab® les résultats qui nous intéressent. Les réponses impulsionnelles et fréquentielles pourront ainsi être comparées à celles mesurées par la méthode inverse (cf. 3.2.3.). Elles peuvent être aussi utilisées dans les applications de spatialisation et de synthèse sonore telles que les programmes SPAT et DogPhobia développés à l’IRCAM. C’est pourquoi toutes les mesures HRTFs sont

Figure 11 : mesure des HRTF de N. M. (LIMSI)

stockées dans une bibliothèque de données : elle sert de catalogue à différentes expériences binaurales qui nécessitent une spatialisation sonore virtuelle. L’occasion s’est présentée d’essayer différents de ces filtres HRTFs pour une expérience de localisation de sons spatialisés. Les fonctions de transfert de la tête sont étonnantes et très différentes les unes des autres ; mais leur champ d’application est extrêmement vaste… L’intérêt du stage en est d’autant plus grand, puisqu’il s’agit de faciliter la mesure de ces HRTFs par la méthode de mesure inverse. 3.2. HRTF inverse La méthode de mesure inverse est un procédé développé en 2003 par D.N. Zotkin. Sa conception est issue du principe de réciprocité bien connu en acoustique [6]. Celui-ci affirme que la réponse à un point A due à une force injectée au point B est égale à la réponse au point B due à la même force injectée au point A [7]. Appliqué aux mesures de HRTF, cet axiome signifie que source et capteur sont interchangeables sans pour autant modifier les résultats de l’expérience. L’étude (Rhrtf) qui suit compare une mesure de HRTF de tête artificielle réalisée par la méthode directe et inverse, et vise à vérifier la validité du procédé inverse. S’il est approuvé, l’étude du champ proche recourra au principe de réciprocité, ce qui permettra de mesurer une HRTF jusqu’à 24 fois plus vite que par la méthode normale. 2009

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3.2.1. Validation de la méthode de mesure inverse : mesure sur tête artificielle La méthode inverse consiste à échanger les places respectives des microphones et des haut-parleurs. En raison du niveau élevé d’émission du signal [1], ces mesures se font avec une tête artificielle et non sur des sujets. Cela montre un avantage : le mannequin pouvant être retourné (tête en bas) sans trop de difficulté, la sphère des points mesurés pourra être complétée. L’archétype sera donc caractérisé de 0° à 360° d’azimut et de -90° à +90° d’élévation. La comparaison des HRTF (directe) et Rhrtf (reverse) d’un mannequin « Head Acoustics » servira alors à évaluer la méthode de mesure inversée. Les dispositifs expérimentaux sont définis de sorte que les deux types de mesures soient comparables. Or, la méthode inverse impose qu’un haut-parleur miniature (aussi appelé « mini HP ») soit inséré dans les oreilles du mannequin. C’est donc avec ce même haut-parleur que la HRTF directe est mesurée. Malheureusement, il s’agit d’un transducteur aux performances assez limitées (une étude de la qualité des mesures effectuées avec celui-ci est reportée en ANNEXE 7). Le traitement des résultats des mesures devra en tenir compte. 3.2.2. Mesure directe Le mini HP est placé en face du mannequin, sur un arceau formant un demi-cercle devant le bras mécanique, à une distance de 136 cm (± 1 cm) de la tête artificielle. Celle-ci est équipée de deux microphones de mesures ancrés dans chaque oreille et solidaires de la tête. Ces transducteurs électrostatiques nécessitent une polarisation de 200V. Ils sont donc alimentés par un appareil « B&K » qui fait également office de préamplificateur, le NEXUS. Le protocole de mesure des HRTFs du mannequin est mis en place plus aisément que celui d’un homme, selon le schéma de la figure 12.

Bras mécanique

Arceau

Haut-parleur miniature

Moteur bras

Table tournante Tête artificielle Lasers

Moteur table

Tableau de branchements intérieur à la chambre anéchoïque

NEXUS

Intérieur de la chambre anéchoïque Extérieur de la chambre anéchoïque PC de mesure

RME MultiFace

Tableau de branchements extérieur

Figure 12 : Schéma de montage de l’expérience HRTF directe sur tête artificielle « Head Aoustique » 2009

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Afin de reproduire au mieux l’absorption acoustique d’un corps humain, un buste en mousse de mélamine1 est fixé à la tête artificielle. En prenant soin d’inverser le sens de rotation de la table lorsque le mannequin est retourné (tête en bas, comme le montre la figure 13), on s’affranchit de la permutation des positions des microphones droit et gauche. Une sphère de 1368 points (72 azimuts et 19 élévations) est alors créée par microphone, soit 2×1368 points pour 2 filtres (droit et gauche) HRTFs du mannequin. 3.2.3. Mesure inverse Le mannequin est ensuite muni du haut-parleur miniature. Celui-ci est placé dans l’oreille gauche d’abord, dans la droite ensuite, en prenant soin de ne pas endommager la cellule microphonique qui y est logée. L’arceau du bras mécanique est maintenant équipé de 24 microphones équidistants, branchés à 4 râteaux de 6 connecteurs jack 2,5 (l’annexe 8 illustre le positionnement des capteurs). Ces

Figure 13 : mesure de HRTF, tête artificielle retournée

transducteurs à électret (« Monacor » EMC 2000) sont alimentés et préamplifiés par un convertisseur analogique-numérique STUDER. Cet appareil a d’ailleurs bénéficié d’une attention particulière quant au bruit qu’il semblait fournir aux mesures (cf. ANNEXE 9 : Etude comparative de vérification du bruit / offset du STUDER, synthétisée par Van Nguyen). Pour restituer la même configuration que celle mise en place lors de la mesure des HRTFs directes du mannequin, il ne faudrait utiliser qu’un microphone. En disposer 24 permet de réduire le nombre d’azimuts visés par la table tournante sur laquelle repose le mannequin. La Rhrtf se mesure donc avec 24 capteurs, et seulement 2 azimuts : 0° et 180°. Par conséquent, en gardant le même nombre d’élévations (tous les 10°), l’acquisition d’une Rhrtf est bien plus rapide (d’environ 40%) que celle d’une HRTF directe. La chaîne de mesure est ici un peu plus compliquée, puisque 24 chaînes d’entrées sont paramétrées dans les programmes de mesures et 24 câbles sont branchés de l’intérieur de la chambre sourde à l’extérieur. Deux cartes son « RME » DigiFace HDSP et FireFace sont d’ailleurs utilisées en parallèle (comme décrit en ANNEXE 4), pour permettre de brancher au PC de mesure les 24 microphones par voie numérique (adat) et la chaîne analogique (coaxiale) du mini HP. Le schéma de mesure de Rhrtf est exposé en figure 14. L’égalisation des enregistrements (cf. 2.2.3.), bien qu’appliquée seulement en post-traitement, nécessite la calibration des différents appareils utilisés lors de la mesure. La réponse du mini HP (présentée en figure 15) est obtenue à l’aide d’un microphone de mesure B&K 4189 pré-polarisé. Celle des microphones EMC est mesurée avec une enceinte TANNOY qui vise les 24 positions des capteurs une par une, fournissant ainsi une courbe d’égalisation individualisée. Figure 15 : Réponse fréquentielle du haut-parleur miniature mesurée en champ libre. Sa bande passante théorique (cf. ANNEXE 4) de 2kHz - 5kHz est colorée en rouge. Selon cette figure, il est possible d’élargir celle-ci à une bande passante optimale de 2kHz -10kHz au moins.

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Mesures de fonctions de transfert d’oreille en champ proche par la méthode de mesure inversée 13 14 15 16 17 18

6 5 4 3 2 1

Râteau de branchement des microphones

Bras mécanique

Microphones

2

1

13

14

12 11 10 9 8 7

4

15 16

5

17 18

6

19

7

20

8

Moteur bras

19 20 21 22 23 24

3

Arceau

9 10

21

Tête artificielle muni du hautparleur miniature

Table tournante

22

11

12

23

Lasers

24

Moteur table

Tableau de branchements intérieur à la chambre anéchoïque

Intérieur de la chambre anéchoïque Extérieur de la chambre anéchoïque PC de mesure

RME : DigiFace + FireFace

STUDER

Tableau de branchements extérieur

Figure 14 : Schéma de montage de l’expérience Rhrtf sur tête artificielle (oreille gauche)

Les données mesurées et traitées (déconvolution, égalisation…) par l’ordinateur offrent enfin la possibilité de comparer les méthodes directe et inverse. Cette comparaison est d’abord effectuée de manière graphique. Les figures 16 et 17 montrent respectivement la HRTF du mannequin Head Acoustics obtenue par mesure directe et sa HRTF obtenue par mesure inverse. Par souci de simplicité et d’harmonisation des HRTFs, seules les magnitudes sont représentées et étudiées.

Figure 16: Représentation graphique de la magnitude de la HRTF de l’oreille gauche de la tête artificielle 2009

Figure 17: Représentation graphique de la magnitude de la Rhrtf de l’oreille gauche de la tête artificielle Page 15


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Sur ces figures, la barre de couleurs représente l’amplitude du signal récupéré en dB. L’abscisse est un axe des fréquences allant de 1 kHz à 12 kHz. Il est utile de rappeler que la bande passante optimale du mini HP est de 2 kHz - 10 kHz : les données affichées hors de cet intervalle peuvent être erronées. L’axe des ordonnées symbolise la direction que vise la tête artificielle en azimut (en avant : de 0° à 180°, en arrière : de 180° à 360°). Cependant, cet axe est dissemblable sur les deux figures. Ceci est dû au fait que les azimuts étudiés ne sont pas identiques : dans le premier cas, la table tournante tourne selon un pas de 5°, elle vise donc successivement 72 directions. Dans le second cas, les 24 microphones simulent 24 azimuts en face et dos au mannequin, soient 48 directions. Le procédé d’interpolation numérique permet d’approcher un axe d’azimuts à partir d’un axe référence. Il reconstruit donc à la figure Rhrtf un axe de 72 azimuts identique à celui de la mesure HRTF. Les figures 18 et 19 présentent donc en parallèle la HRTF directe du mannequin et sa HRTF inverse interpolée.

Figure 18: Représentation graphique de la magnitude de la HRTF de l’oreille gauche de la tête artificielle

Figure 19: Représentation graphique de la magnitude de la Rhrtf interpolée de l’oreille gauche de la tête artificielle

La comparaison, numérique surtout, est alors plus aisée. Des motifs récurrents sont identifiables : un niveau reçu plus fort en avant, plus faible en arrière selon deux traits de faible amplitude partant d’une grosse dépression… Cependant des divergences apparaissent tout aussi clairement : le fort niveau réparti à l’avant de manière homogène contraste avec les deux traits verticaux aux fréquences respectives de 8 kHz et 11 kHz. Des corrélations de matrices (sous MatLab®) peuvent également appuyer l’interprétation visuelle. La corrélation entre ces deux HRTFs montre une ressemblance de 70%. Ce pourcentage de similitude plutôt décevant impose d’employer la méthode inverse avec un minimum de réserve. Cependant, la mesure Rhrtf effectuée lors de ce stage est améliorable sur plusieurs points, notamment sur la qualité et la position (à l’affleurement du pavillon) de la source émettrice (cf. ANNEXE 7). Une égalisation individuelle de chaque microphone corrigerait également les différences de gain des capteurs, et la courbe pourrait en basses fréquences (de 500 à 1000 Hz environs) être complétée par un modèle générique. Vis-à-vis de cela, les résultats encouragent à une étude paramétrique approfondie de la méthode de mesure inverse.

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3.3. HRTF inverse en distance La dernière campagne de mesures utilise la méthode de mesure inverse, car elle permet un précieux gain de temps. En effet, sans ce procédé, il faut prévoir de 6 à 7 heures de mesure par HRTF d’une distance donnée (pour une seule oreille). Naturellement ce temps dépend de la précision angulaire et verticale désirée. L’intérêt minimum est de suivre un pas de ≈ 10° en élévation et ≈ 10° en azimut. Une mesure à maillage fin est projetée pour la fin du stage : avec un pas de 5° d’azimut, le temps de mesure est déjà doublé, soit plus de 12 heures de mesure ! En sachant que nous étudions 8 distances différentes, la méthode inversée est un allié de choix : sans cela, en utilisant 8 mesures directes, cela équivaudrait à près de 60 heures cumulées de mesures. La DRhrtf autorise donc, en 6 à 7 heures (10° d’azimut et d’élévation), d’enregistrer 8 HRTFs d’oreille droite ou gauche du mannequin, à 8 distances de la tête.

Figure 20: Contexte de la mesure de DRhrtf

Le protocole de mesure est sensiblement le même que celui de l’expérimentation Rhrtf, mais seules les données de 8 chaînes d’entrées (au lieu des 24) sont considérées. L’intérêt du champ proche, puisque c’est le but fondamental de cette mesure, nécessite de concevoir une configuration qui puisse rapprocher les microphones de la tête étudiée. Les 8 cellules sont alors disposées sur une tige rectiligne suspendue au bras mécanique et pointant vers la tête artificielle sans la toucher (cf. figure 20). Seulement, la longueur des câbles des 24 capteurs utilisés en mesure Rhrtf ne dépasse pas 1m30. 4 nouveaux microphones (nommés par 3 lettres : III, ME, LC, TTT) sont donc câblés à 3m de longueur, permettant au moins d’acquérir 4 HRTFs dans un champ plutôt proche de la tête. Une étude, placée en annexe 10, s’assure de l’uniformité des réponses des nouvelles cellules (EMC 2000 et 4000) avec les 24 autres. Parmi ces 24, les 4 capteurs aux câbles les plus longs (LB, MD, LF, VVV) servent pour des distances plus lointaines. Le schéma de la figure 21 récapitule leur position sur la tige.

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Tige rectiligne

6 5 4 3 2 1

13 14 15 16 17 18

VVV

Bras mécanique LF

12 11 10 9 8 7

19 20 21 22 23 24

Râteau de branchement des microphones MD

Microphones

LB

TTT

Moteur bras

LC

Table tournante

ME

Tête artificielle muni du hautparleur miniature

III

Lasers

Moteur table

Tableau de branchements intérieur à la chambre anéchoïque

Intérieur de la chambre anéchoïque Extérieur de la chambre anéchoïque PC de mesure

RME : DigiFace + FireFace

STUDER

Tableau de branchements extérieur

Figure 21: Schéma de montage de l’expérience DRhrtf sur tête artificielle (oreille gauche)

La mesure de Rhrtf aspire à créer une sphère de points de mesure autour du mannequin. La DRhrtf, elle, simule une véritable boule de mesures avec pour centre la tête artificielle. Les azimuts visés par la table tournante associés aux élévations du bras mécanique et aux 8 capteurs à différentes distances de la tête génèrent 8 « sphères HRTF » autour du sujet de mesure, comme 8 couches d’un oignon. Les 8 microphones sont placés à 8 distances distinctes : 20, 30, 50, 70, 100, 136, 170 et 200 cm de l’affleurement de la tête. Les 4 premiers mesurent des HRTFs en champ proche de la tête artificielle (< 1m). Les derniers servent de référence : par exemple, le capteur « MD » à 136 cm de la tête correspond exactement à la distance à laquelle a été mesurée la Rhrtf à 24 microphones. Différentes études peuvent ainsi dériver de cette longue mesure… Application des HRTFs au champ proche certes, mais également : évolution suivant la distance, nouvelle validation de la Rhrtf, extrapolation9 ou « intrapolation10 », etc.

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Malheureusement, la déconvolution des résultats de mesure demandant un temps considérable, il n’est pas possible de présenter des résultats aussi concrets dans ce document. Seule une mesure préliminaire de DRhrtf à 4 microphones (de 3m de câble) peut être traitée et observée ici. Il s’agit d’une acquisition réalisée selon le même schéma que celui de la figure 21, avec seulement 4 capteurs positionnés sur la tige. Ils sont disposés à 20, 30, 50, et 100 cm de la tête artificielle, Le caractère exploratoire du stage se révèle à nouveau dans l’observation qualitative de l’évolution d’une HRTF inverse avec la distance. Les figures 22 à 26 présentent donc les résultats de la mesure de DRhrtf par microphones.

Figure 22 : Représentation graphique de la magnitude de la Rhrtf de l’oreille gauche à 20cm de la tête artificielle

Figure 24 : Représentation graphique de la magnitude de la Rhrtf de l’oreille gauche à 50cm de la tête artificielle

Figure 23 : Représentation graphique de la magnitude de la Rhrtf de l’oreille gauche à 30cm de la tête artificielle

Figure 25 : Représentation graphique de la magnitude de la Rhrtf de l’oreille gauche à 1m de la tête artificielle

Une dégradation du signal est remarquable, surtout dans la baisse de niveau global à l’avant du mannequin. Le motif de faible intensité à l’arrière montre une évolution intéressante : en champ proche (figure 22), il se montre réellement circulaire autour de 1000 Hz, une signature qui disparaît avec la distance.

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La figure 25 ressemble plus foncièrement à la mesure de Rhrtf réalisée avec 24 microphones un peu plus loin que celle-ci (sur l’arceau à 136 cm de la tête). Il est d’ailleurs notable qu’à cette distance là, le deux traits verticaux à 8 et 11 k Hz sont absents. La mesure de DRhrtf complète avec 8 microphones nous donnera de plus amples informations quant à l’origine de ces perturbations. De plus, une fois cet enregistrement traité, les données des 8 capteurs seront analysées et décomposées sur la base des harmoniques sphériques et des fonctions de Bessel sphériques. Ces analyses nous permettront de mettre en place des méthodes d’extrapolation. L’extrapolation est un procédé de prédiction des données d’une certaine distance (le champ proche par exemple) vers des distances supérieures (le champ lointain, en l’occurrence). Les mesures de DRhrtf seront à la fois un point de départ pour l’analyse et un élément de validation des prédictions.

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Conclusion La technologie binaurale permet de spatialiser une source sonore uniquement au moyen d’un casque d’écoute. Pour cela, elle constitue sans doute le futur de l’écoute individuelle au casque. Cette technologie repose essentiellement sur la mesure de fonctions de transfert d'oreille. La mesure de HRTFs sur sujets permet d’élaborer une banque de données de filtres binauraux de divers sujets volontaires. Elle forme un catalogue (consultable sur http://recherche.ircam.fr/equipes/salles/listen/download.html [9]) qui est d’ailleurs très utilisé par l’IRCAM en général, et l’équipe Acoustique des Salles en particulier. Malgré tout, différents critères la mettent à défaut : en plus du temps de mesure considérable qu’elle impose aux sujets, la HRTF directe n’est pas fidèle à la localisation des sources proches de la tête. L’exploration de la méthode de mesure inversée serait susceptible d’y remédier. Elle nécessite un matériel et des installations spécifiques en contraste avec la mesure de HRTF directe, mais autorise l’inversion de la source et du capteur. Durant ce stage, nous avons mis en place le procédé de mesure inverse, et étudié les possibilités offertes par celui-ci. En fin de compte, il semble que le signal soit altéré par différents éléments : l’utilisation d’un haut-parleur miniature interdit une bande fréquentielle d’étude large, et la restreint à des fréquences plutôt hautes (de 2 à 10 kHz). De plus, il est dangereux d’employer ce genre de source dans l’oreille de sujets humains, il faut donc utiliser une tête artificielle. Celle-ci, bien que pourvue d’un torse et d’une tête semblable aux nôtres, ne présente pas de conduit auditif assez large pour y loger le mini HP ; il est donc apposé à l’affleurement de l’oreille en caoutchouc. Ces différentes conditions réduisent le champ de possibilité d’utilisation de la méthode inversée. Malgré tout, les mesures inversées se révèlent encourageantes : elles permettent de capter jusqu’à 24 signaux en même temps, réduisant considérablement le temps de mesure. De plus, une de ses nombreuses potentialités est la liberté de positionnement des capteurs dans le champ d’émission de l’émetteur considéré : les microphones peuvent y être placés à différentes distances de la tête, jusqu’à étudier le champ proche. Or celui-ci fait défaut aux HRTFs actuelles, mesurées à 2m de l’auditeur. La méthode de mesure inversée est donc l’occasion d’explorer de nouvelles pistes pour la reproduction spatiale binaurale. Ces pistes permettront à terme de synthétiser des sources sonores en champ proche en utilisant directement les mesures effectuées, ou encore de prédire le comportement des champs proche ou lointain par des méthodes d’extrapolation des mesures d’une distance à l’autre.

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Glossaire 1

Mélamine : matériau acoustique utilisé sous forme d’une mousse rigide et blanche, connu pour son très grand pouvoir absorbant.

2

Elévation : angle vertical entre la direction d'un objet et une direction de référence. Ici, l’élévation représente l’angle en degrés entre le plan horizontal (0°), défini par la position horizontale du bras mécanique, et la direction visée par l’avant du bras mécanique (cf. figure 20).

3

Azimut : angle horizontal entre la direction d'un objet et une direction de référence. Ici, l’azimut représente l’angle en degrés pris par la table tournante B&K entre le milieu de l’avant du bras mécanique qui lui fait face (0°), et la direction visée par la table tournant dans le sens horaire (cf. figure 26).

4

Figure 26 : Schéma explicatif des notions d’élévation et d’azimut employées dans ce document

Champ libre : ici, le champ libre se constitue d’une onde plane provenant d’une incidence donnée, le plus souvent l’incidence frontale.

5

Matériel supposé parfait : matériel dont les caractéristiques propres n’influenceront pas la mesure

6

Champ diffus : superposition d’ondes planes décorrélées provenant d’incidences aléatoirement distribuées autour du récepteur.

7

LIMSI : Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur. Le LIMSI est une unité propre de recherche du CNRS (UPR3251) associée aux Universités Paris-6 et Paris-11.

8

Microphone à électret : microphone de petite taille, composé d’une microcellule électrostatique associée à un transistor effet de champ, aux performances adéquates pour des niveaux de réception assez faible.

9

Extrapolation : synthèse d’une mesure champ lointain à partir d’une mesure en champ proche.

10

« Intrapolation » : synthèse d’une mesure champ proche à partir d’une mesure en champ lointain.

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Bibliographie [1] D.N. Zotkin, R. Duraiswami, E. Grassi, N.A. Gumerov, Fast head-related transfer function measurement via reciprocity, Perceptual Interfaces and Reality Laboratory, Institute for Advanced Computer Studies (UMIACS), University of Maryland at College Park, College Park, MD 20742, 2006 [2] Ircam. [En ligne]. Consulté le 09 mai 2009. Disponible sur : http://www.ircam.fr/ [3] J. Unger, Mesure de fonctions de transfert relatives à la tête, Ircam, 2003. [4] A. Farina, Simultaneous Measurement of Impulse Response and Distortion with a Swept-Sine Technique, Industrial Engineering Department, University of Parma, Italy, 2000. [5] R. Duraiswami & N. A. Gumerov, Method for measurement of head related transfer functions, United States Patent Application, Serial No. 10/702465, 2003. [6] P.M. Morse & K.U. Ingard, Theoretical acoustics, Princeton U.P., Princeton, NJ, McGraw-Hill Book Company, New York, 1968. [7] O. Robin, Cours professionnel de DEUST VAS 2 : Analyse Modale Expérimentale Théorique, 20 p. CEVAA, 2009. [8] Elac. [En ligne]. Consulté le 16 juin 2009. Disponible sur : http://www.elac.com/en/index.html [9] Ircam - Banque de données de mesures de HRTFs sur sujets. [En ligne]. Consulté le 16 juin 2009. Disponible sur : http://recherche.ircam.fr/equipes/salles/listen/download.html

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ANNEXES

ANNEXE 1 : Lien connectique entre l’intérieur et l’extérieur de la chambre anéchoïque.

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ANNEXE 2 : Présentation graphique de l’environnement MaxMSP par impression d’écran détaillée.

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ANNEXE 3 : Exemple maître de programme informatique MatLab®.

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ANNEXE 4 : Spécifications techniques et précisions à propos du matériel de mesure utilisé lors du stage.

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ANNEXE 5 : Etude de l’influence d’ordre et de répétition de la séquence émise.

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ANNEXE 6 : HRTF - Profil photographique de N. M. (LIMSI).

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ANNEXE 7 : Etude de la qualité des mesures de Rhrtf.

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ANNEXE 8 : Schéma de positionnement des 24 microphones de la mesure de Rhrtf.

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ANNEXE 9 : Etude comparative de vérification du bruit / offset du STUDER, synthétisée par Van Nguyen

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ANNEXE 10 : Etude des cellules microphoniques EMS 2000/4000 câblées en 3m pour la mesure DRhrtf.

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ANNEXE 1 : Lien connectique entre l’intérieur et l’extérieur de la chambre anéchoïque. Les câbles et cordons qui relient le matériel de la chambre anéchoïque à l’extérieur sont rassemblés sur un tableau ancré au couloir d’entrée de la salle. Celui-ci, visible sur la figure a, détient tous les connecteurs nécessaires au branchement de microphones, haut-parleurs ou tout autre appareil susceptible d’être utilisé dans la chambre (connecteurs XLR, coaxiaux, speakon, BNC, fibre optique, prises électriques, etc.). Il est lié à un tableau similaire à l’extérieur de la chambre (figure b), branché au système d’amplification et d’acquisition des données.

Figure a : Tableau de branchement intérieur (à gauche) et contexte (vue de l’entrée) en chambre anéchoïque (à droite).

Figure b : Tableau de branchement extérieur à la chambre anéchoïque.

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ANNEXE 2 : Présentation graphique de l’environnement MaxMSP par impression d’écran détaillée.

3

1

2

4

5

6

7

Légende : 1 : Fenêtre d’indication de l’état de MaxMSP 2 : Fenêtre d’options générales de MaxMSP 3 : Programme principal ouvert : « sweep_anech_VN » (crée par Van Nguyen) ; mais désactivé ("DSP OFF"). Il est activé activé par MatLab® en début de mesure ("DSP ON" => "TEST !" ou "MEASURE !"). 4 : Onglet du dossier courant utilisé (en l’occurrence « boyer ») 5 : Mixer (table de mixage numérique) de la RME "FireFace", liée à la RME HDSP (Hammerfall DSP) 6 : Mixer de la RME DigiFace HDSP (Hammerfall DSP) 7 : MatLab® envoyant des informations à MaxMSP

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ANNEXE 3 : Exemple maître de programme informatique MatLab®. Les dernières versions de MatLab® favorisent l’exécution de fonctions successives par groupe, via un programme maître appelé « batch » (traduction anglaise de « lot »). Il opère par cellules constituées des fonctions principales des programmes de mesures. De cette façon, les différentes étapes de chacune des campagnes sont réparties en un seul et même fichier MatLab®. Habituellement, trois fonctions principales constituent un batch. La première, « connectionParam », adresse les ports d’émission et de réception nécessaires à l’échange MatLab® / MaxMSP. La seconde, « measureParam », définit les paramètres de la mesure considérée. Enfin, la fonction exécutant le programme de mesure suit mes paramètres, et se déroule suivant ces différentes entrées. Le programme présenté ci-dessous est le batch de la mesure de HRTF inverse en distance.

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ANNEXE 4 : Spécifications techniques et précisions à propos du matériel de mesure utilisé lors du stage. Chacune des mesures réalisées au cours du stage recours à des instruments spécifiques de mesures. Capteurs, sources et conditionneurs varient suivant les besoins, et sont toujours employés avec soin vis-à-vis de la carte son. Les paragraphes qui suivent décrivent l’équipement technique manipulé lors des campagnes de mesures de ce stage. Ensuite figurent les documentations techniques nécessaires à l’évaluation de la qualité des acquisitions. La mesure de HRTF sur sujets utilise 3 haut-parleurs ELAC 301 [8] et un amplificateur 4 voies « Yamaha » P2040 (cf. figure c), une paire de microphones binauraux à électret associés à un préamplificateur fait maison, un capteur électrodynamique de chant « Shure » SM58 et une enceinte retour « Highland Audio » Aingel 3201 branché sur l’amplificateur Yamaha, le tout connecté à une carte son RME MultiFace HDSP ou FireFace (cf. figure 3). Celles-ci permettent en effet de brancher jusqu’à 8 voies analogiques, en entrée et en sortie.

Figure c : Caractéristiques (réponse fréquentielle et taux de distorsion harmonique) de l’amplificateur Yamaha P2040

La mesure HRTF sur mannequin se sert d’une tête artificielle « Head Acoustics » (cf. figure d) et de sa paire de microphones de mesures électrostatiques nécessitant une polarisation de 200V, alimentés par l’alimentation - préamplificateur NEXUS de « Brüel&Kjaer ». La source évaluée par un microphone de mesure électrostatique « Brüel&Kjaer » 4189 (cf. figure e) pré polarisé et amplifié par le NEXUS de la même marque est un haut-parleur miniature (aussi appelé mini HP) de marque Knowles utilisé en prothèse auditive. Sa courbe de réponse théorique (fournie par le constructeur), placée en figure f,

Figure d : Tête artificielle Head Acoustics

imposerait de ne prendre en compte qu’une bande passante restreinte de 2kHz - 5kHz. Un doute quant à sa validité, justifié par la figure16, élargit la bande optimale du mini HP à 2kHz - 10kHz au moins. La carte son utilisée ici est une RME MultiFace HDSP (cf. figure 3), une FireFace pouvant également faire l’affaire : aucune chaine numérique (en sortie ou entrée) n’est nécessaire pour ce genre de mesure.

Figure e : Réponse fréquentielle du microphone B&K 4189.

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Figure f : Réponse fréquentielle du mini HP Knowles fournie par le constructeur.

Les mesures de HRTF inverse (cf. ANNEXE 8) et HRTF inverse en distance utilisent également le mannequin Head Acoustics et le mini HP, mais nécessitent 24 (8 pour la mesure en distance) microphones « Monacor » à électrets (pré polarisés) EMC 2000 / 4000 (cf. ANNEXE 10), calibrés à l’aide d’un enceinte TANNOY supposée parfaite5. Les capteurs sont préamplifiés par le prototype LMS Carrouso Mic24Adat« Studer », et tout est branché sur une RME DigiFace HDSP en parallèle avec une FireFace. Ce lien entre les deux cartes sons, l’une à dominante numérique (la DigiFace HDSP dispose de 3 entrées et sorties « adat ») et l’autre analogique (FireFace), est accompli par la modification des matrices d’envoi et de réception des 2 cartes sons. Les précisions nécessaires à la compréhension de ce branchement sont décrites ci-après.

La FireFace ne détient que 2 entrées et sorties numériques (« adat »), insuffisantes à la connexion du STUDER (préamplificateur des 24 microphones) qui nécessite 3 adats. La DigiFace HDSP, elle, n’a pas la sortie analogique nécessaire à l’émission du signal par le mini HP, branché par connecteur jack. Les deux sont donc indispensables à la mesure, mais le PC de mesure ne peut en accueillir qu’une seule. C’est pourquoi la DigiFace HDSP, plus performante que la FireFace, est utilisée en maître et la FireFace en esclave ; et que les deux appareils sont reliés pour communiquer. La FireFace qui envoie le signal analogique au mini HP est donc branchée par adat sur la DigiFace. Il ne reste qu’à faire la connexion informatique (« rooter ») entre la sortie adat de la DigiFace, l’entrée adat de la FireFace et la sortie analogique de cette même FireFace. Ce « rootage » s’effectue sur les matrices des mixers (cf figures g) de chacune des cartes son, dont on dispose en installant leur pilote sur PC. Ceci est explicité sur les impressions d’écran des figures h.

Grâce à ce branchement, l’émission du signal est envoyée par la DigiFace, il transite par FireFace pour arriver dans la chambre anéchoïque au mini HP inséré dans l’une des oreilles du mannequin. Les microphones, eux, entrent directement dans la DigiFace, de sorte que la FireFace n’agisse que pour l’émission et pas pour la réception.

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Figures g : Mixers des cartes son RME Digiface à gauche, FireFace à droite

Figures h : Matrices des Mixers des cartes son RME Digiface à gauche, FireFace à droite. Il est notable que la matrice FireFace est modifiée, de sorte que ce qui arrive en « adat in 1 » sorte en « analog 1 à 6 »

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ANNEXE 5 : Etude de l’influence d’ordre et de répétition de la séquence émise.

Influence d’ordre et de répétition de la séquence émise sur la qualité des acquisitions Robin Lenogue - 02/06/09

Objectif de l’étude : Evaluer l’influence de l’ordre et la répétition de la séquence du signal émis par la source sur la qualité de chacune des acquisitions. Cette influence nous renseignera sur l’utilité de réaliser nos prochaines mesures avec un signal de tel ou tel ordre, émis une seule fois ou répété une ou plusieurs fois. La théorie indique qu’un signal émis répété au moins une fois réduit le niveau de bruit par rapport à un signal émis une seule fois. Elle signale également que la qualité d’un signal augmente avec l’ordre auquel il est émis. Malgré cela, des problèmes ayant déjà été observés à l’ordre 18 (cf. Comparaison de l’intrusivité des tiges Rhrtf et DRhrtf), la comparaison sera uniquement effectuée entre les ordres 14 et 16. Cette étude permettra d’affirmer ou d’infirmer ces critères théoriques.

Résultats : L’ordre 16 est moins bruité et plus fiable que l’ordre 14. La répétition a un effet sur la qualité des réponses impulsionnelles et fréquentielles. Et cet effet semble vraisemblablement être celui prédit par la théorie : une répétition du signal est bénéfique au traitement des mesures, elles se retrouvent moins bruitées si le signal émis est répété. Malgré que la 2ème répétition du signal pose problème, et ceci est visible dès la visualisation du signal brut, la première répétition du signal émis semble être un bon moyen d’accroître la qualité des prochaines mesures.

Démonstration graphique : Les figures ci-après sont rangées par intérêt : on étudie les acquisitions à l’ordre 16 avant celles à l’ordre 14. Les signaux bruts sont les premières figures présentées : on y repère facilement la coupure de la 3ème répétition par exemple. Les secondes développent une évaluation du bruit du signal par la représentation du SNR (= RSB : Rapport Signal sur Bruit), du niveau de bruit (Noise Level), des maximums captés par chaque microphones ainsi que d’une comparaison entre les 2 méthodes de calcul de bruit (Noise Level / Noise Estimate). Enfin, les dernières figures exposées détiennent plusieurs informations : l’enregistrement brut du signal, la réponse impulsionnelle et la réponse fréquentielle ; et ce en linéaire et en dB (logarithmique). Naturellement, chacune des figures présentées ci-après correspondent au microphone en face de la source, soit pour ces mesures de Rhrtf, le micro12 (cf. ANNEXE 8).

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1. Ordre 16 1.1. Signaux bruts : 

1 signal

2 signaux (le signal émis + une répétition)

3 signaux (le signal émis + 2 répétitions)

Le problème de la 2ème répétition est ici très facilement identifiable. Le signal est censé être joué et répété 2 fois. Celui-ci est bien visible, la première répétition également, en revanche la seconde semble être « happée », comme si un fenêtrage venait couper l’acquisition avant cette 2ème répétition. En revanche et malgré cette « disparition » fortuite du dernier sweep, une différence (en bien) est tout de même perceptible sur le bruit résiduel des mesures… 2009

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1.2. Evaluation du bruit :

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1 signal

2 signaux (le signal émis + une répétition)

3 signaux (le signal émis + 2 répétitions)

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En effet ces 3 figures nous confirment la théorie : le bruit hétérogène et relativement important de la mesure standard (un seul sweep est émis) est nettoyé par la présence d’une répétition, et son niveau est carrément réduit (de 3 dB en moyenne) par la 2ème répétition. Reste à confirmer la validité de cette 2nde répétition, à savoir si la chute visible sur les courbes du signal émis n’est qu’un problème numérique qui n’influe pas sur les réponses impulsionnelles et fréquentielles, ou si celles-ci en pâtissent… 1.3. Réponses Impulsionnelles et Fréquentielles :

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1 signal

2 signaux (le signal émis + une répétition)

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3 signaux (le signal émis + 2 répétitions)

Ces courbes de réponses fréquentielles détiennent un trop grand nombre de points, mais il semble au moins que la première répétition ne dégrade pas le signal capté.

2. Ordre 14 2.1. Signaux bruts : 

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1 signal

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2 signaux (le signal émis + une répétition)

3 signaux (le signal émis + 2 répétitions)

Le problème de la 2ème répétition est ici aussi facilement repérable. En revanche il semble clair que le bruit résiduel est, à cet ordre, plus conséquent. Les figures suivant nous le confirment.

2.2. Evaluation du bruit : 

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1 signal

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2 signaux (le signal émis + une répétition)

3 signaux (le signal émis + 2 répétitions)

L’ordre 14 est donc plus bruité que l’ordre 16, de 5dB environ. En termes de répétitions du signal, une petite réduction de bruit n’est visible qu’après la 2ème répétition. Les réponses impulsionnelles et fréquentielles ne donnent pas plus d’informations sur cet ordre.

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ANNEXE 6 : HRTF - Profil photographique de N.M. (LIMSI). Les photographies présentées ci-après (figures j à o) permettent de constituer le profil facial et auditif d’un individu dont la HRTF a été mesurée. Ces données sont répertoriées dans un catalogue en vue d’une éventuelle attribution de HRTF par comparaison géométrique de la face et de l’oreille (selon les mesures de la figure i, par exemple, utilisée par un ancien stagiaire de l’IRCAM [2] ). Cela permettra peut-être un jour d’assigner une HRTF à une personne qui n’a pas fait mesurer la sienne en comparant sa morphologie auditive et faciale avec celle des sujets étudiés.

Figure i : Méthode de mesures morphologiques en vue d’une numérisation de géométrie faciale et auditive par voie informatique.

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Figures j et k : Mesures du pavillon des oreilles droite et gauche

Figures l et m : Mesures frontale et dorsale des oreilles droite et gauche

Figures n et o : Mesures frontales de la tĂŞte du sujet.

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ANNEXE 7 : Etude de la qualité des mesures de Rhrtf.

Evaluation de la fiabilité des mesures de Rhrtf Robin Lenogue - 29/05/09

Objectif de l’étude : Evaluer la fiabilité et la propreté des mesures réalisées en configuration « Rhrtf » (Reverse HRTF), c’est à dire avec un mannequin au milieu de la chambre anéchoïque, un HP miniature dans son oreille (gauche, en l’occurrence), et un arceau de 24 microphones porté par le bras mécanique.

Etude : Cette configuration exige l’utilisation d’un haut-parleur suffisamment petit pour être placé dans l’oreille du mannequin, ce qui permet alors de faire l’acquisition de 24 données d’HRTF en une seule mesure. Malgré ce côté pratique très séduisant, le HP miniature utilisé montre des performances liées à sa taille, donc assez réduites. Or, un signal de faible amplitude (et à réponse fréquentielle réduite) capté à plus d’un mètre risque de conserver un niveau de bruit important. Cette étude caractérise ce niveau de bruit, ainsi que le RSB des signaux acquis. Elle permet d’apprécier la qualité des données enregistrées en prévision du traitement numérique.

Mesures effectuées : Deux mesures de Rhrtf réalisées indépendamment sont analysées et comparées. Un soin particulier est pris quant au choix du signal étudié parmi les 24 signaux acquis lors de chaque mesure. Le mannequin étant orienté face à l’arceau, c’est le microphone n°12 qui fait face à la source. C’est donc celui qui est représenté dans les prochaines figures. Il sera ensuite comparé au signal reçu par les capteurs 01 et 23, qui captent beaucoup moins de signal.

Résultats : Le signal du microphone 12 est, dans la plupart des cas, caractérisé par un RSB de presque 50 dB ; signe d’un signal bruité mais utilisable. En revanche dès qu’il s’agit d’observer les réponses des capteurs à 90° de la source (mic 01), le RSB se fait plus mauvais (40 dB environ) et le bruit n’est plus négligeable : il compose de 50 à 80% du signal. Les données du 24ème micro, elles, sont très souvent submergées par le bruit de fond (RSB de 30 dB environ).

Remède préconisé : L’origine du problème peut être localisée en 2 points : l’amplitude du signal émis ou le bruit de fond présent en fin de chaîne de mesure. Tant que G.B. n’obtient pas de résultat concluant avec la nouvelle alimentation en fabrication, l’utilisation d’un écouteur à la place du HP miniature pourrait remédier au principal problème. 2009

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Démonstration graphique : Les figures exposées ci-après détiennent plusieurs informations : l’enregistrement brut du signal, la réponse impulsionnelle et la réponse fréquentielle ; et ce en linéaire et en dB (log). Les figures des signaux bruts permettent rapidement d’identifier si le niveau de bruit va être dominant ou pas. Enfin les figures d’estimation du bruit comprennent une évaluation fiable du RSB et maximum reçu par chaque microphone d’une mesure, et deux estimations (imparfaites) du niveau de bruit. Elles confirment les ambivalences observables sur les autres figures. NB : Ces mesures sont réalisées l’ordre 14, avec tous les inconvénients qu’on lui connaît.

1. Mesure Rhrtf datant du 06/05/09 

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Mic12 :

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Mic01 :

Mic23 :

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2. Mesure Rhrtf datant du 29/04/09

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Mic12 :

Mic01 :

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Mic23 :

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ANNEXE 8 : Schéma de positionnement des 24 microphones de la mesure de Rhrtf (figure p).

Figure p : Schéma de positionnement (gauche) et positions angulaires (droite) des 24 microphones de la mesure de Rhrtf. La distance inter-capteurs est d’environ 7,5° ( 180/24=7,5 )

Le bras mécanique de la chambre anéchoïque est équipé de 4×6 tablettes de branchement (visibles sur la figure q). Les microphones y sont connectés par jack 2,5. Les câblages des 4 tablettes conduisent le signal par 4×6 connecteurs XLR au tableau intermédiaire de la chambre sourde (cf. ANNEXE 1). Ils sont récupérés sur le tableau de branchement extérieur par 3×8 connecteurs XLR, et entrent dans le préamplificateur STUDER pour en ressortir 3 adats (branchés au PC via la RME DigiFace). L’arceau apposé sur le bras mécanique forme un arc de cercle de 136 cm (± 1 cm). Les microphones y sont attachés grâce à des attaches rideaux. Ils sont fixés de sorte à ceux qu’ils restent immobiles durant toutes la mesure, même pour les élévations extrêmes (90° par exemple), où le poids des câbles tend à modifier leur position. La photographie de la figure r illustre le contexte du branchement des capteurs de la mesure de Rhrtf. Figure q : Tablette de branchement (connecteurs jack 2,5) des 24 microphones de la mesure de Rhrtf

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Figure r : Position des microphones de la mesure Rhrtf sur l’arceau du bras mécanique de la chambre anéchoïque.

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ANNEXE 9 : Etude comparative de vérification du bruit / offset du STUDER, synthétisée par Van Nguyen

Comparaison entre le boîtier d’alimentation de Gérard Bertrand associée à la RME FireFace 800 ("Boîtier+RME") et le STUDER (fait maison il y a quelques années). Van Nguyen - 06/05/2009

Mesures effectuées : Nous avons utilisé les 2 microphones placés au centre de l’arceau. Celui de gauche est branché sur le boîtier, celui de droite est branché sur le Studer. Le haut-parleur (Enceinte Tannoy) a été placé approximativement par terre devant la table tournante. On ne compare donc pas EXACTEMENT la même chose mais cela nous donne un ordre d’idée largement suffisant.

Résultats : - Le Studer donne un RSB comparable au Boîtier+RME. Nous avons été trompés par les vumètres de la RME. - Le Studer présente une composante continue.

Explications :

Figure 1 : a et b = Signal enregistré sur les microphones : le STUDER donne une composante continue. c = Filtrage passe-haut : la composante continue du Studer peut-être enlevée.

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Figure 2 : Signal enregistré en dB. C’est le signal montré par les vumètres de l’interface RME. Nous en avons donc déduit que le STUDER donne un mauvais RSB. Ce qui est en fait faux.

Figure 3 : Réponse impulsionnelle après déconvolution : la composante continue ne change rien au RSB. Ce qui est normal.

Conclusion : Nous pouvons mesurer avec le Studer. Il affiche un RSB comparable au système boîtier+RME. Cependant, il possède une composante continue. Il serait donc quand même préférable de le remplacer. Pour augmenter le RSB, il faut donc changer d’autres paramètres : câbles, alimentations etc.

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ANNEXE 10 : Etude des cellules microphoniques EMS 2000/4000 câblées en 3m pour la mesure DRhrtf.

Test des cellules microphoniques câblées en 3m. Robin Lenogue - 14/05/09

Mesures effectuées : Test de fiabilité des cellules microphoniques à électrets cablées en 3m par G.B. le 13/05/09. Caractérisation de leur réponse brute, impulsionnelle, fréquentielle, et comparaison avec une cellule utilisée auparavant, câblée en 1m environ. Cette étude est réalisée dans les mêmes conditions pour chacune des cellules, et pour un signal émis de séquence d’ordre 14. Cinq cellules sont étudiées, répertoriées dans ce tableau :

Cellule

Type de cellule

Référence

Fonction

TTT

Electret

2000

Etudiée

LC

Electret

2000

Etudiée

ME

Electret

2000

Etudiée

III

Electret

4000

Etudiée

Mic13

Electret

2000

Connue (gabarit)

Résultats : Les cellules étudiées sont valides, utilisables et leurs résultats sont fiables. La cellule 4000 (III) peut-être utilisée au même titre que les cellules 2000 (plus produites aujourd’hui), leurs caractéristiques étant analogues. Cependant une opposition de phase (de 180°) lui a été attribuée pour une raison inconnue, et a été détectée après cette étude (en sommant les réponses impulsionnelles des différents signaux représentés ici).

Explications : Les figures exposées ci-après détiennent plusieurs informations : l’enregistrement brut du signal, la réponse impulsionnelle et la réponse fréquentielle ; et ce en linéaire et en dB (log). Cela permet non seulement de comparer l’allure du signal et sa transformée de Fourier, mais également la dynamique de bruit présente sur les enregistrements bruts et les réponses impulsionnelles.

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TTT

LC

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ME

III(4000)

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Mic13 (gabarit : modèle de comparaison) :

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English summary Near field head related transfer functions measurements by inverse method. The head related transfer function (HRTF) is a couple of acoustic filters corresponding to the various cues of the scattering process of sound source by a body. It encodes the acoustical scattering behavior of the ear, head, and body of the listener for various locations from where acoustical sources may emit. Applied to a monophonic signal, it allows spatializing the sound source at a given position. By extension, we can then create synthetic sound scenes with given spatial characteristics. But recent works proved that problems appear when localizing sources at small distances from the head of the subject. A new method for HRTF measurement has been developed by Zotkin in 2003. It is called the reverse measurement method. The internship at IRCAM aims to explore that new method, and validate its performances by swapping the speaker and the microphone. If that work reveals a new efficient process, it will be possible to use several microphones. Different transducers mean different possibilities of positions, and different distances. Near field HRTFs can be measured with far field HRTFs in the same time of measure. We will evaluate the quality of these measurements, and apply it to near field or far field predicting process.

Résumé Mesures de fonctions de transfert d’oreille en champ proche par la méthode de mesure inversée. La fonction de transfert binaurale (HRTF) est une paire de filtres acoustique qui consigne les indices de diffraction corporelle. Appliqué à un signal monophonique, elle permet de reproduire un espace sonore spatialisé. Des études récentes montrent que pour des distances proches de la tête, la localisation d’une source sonore n’est plus fidèle à la réalité. Grâce à la méthode de mesure inverse, la mesure de HRTF évolue. Elle permet d’intervertir les positions respectives de capteurs et des sources. Il devient alors possible d’utiliser plusieurs microphones à différentes distances de la source. Les HRTFs en champ proche sont ainsi mesurées avec les HRTFs en champ lointain, pour un même temps de mesure. Les données ainsi enregistrées sont applicables à la synthèse de source en champ proche ou la prédiction du champ sonore (du champ proche vers le champ lointain, et vice versa).

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Rapport de stage IRCAM 2009  

Mesure de fonctions de transfert de l’oreille en champ proche par la méthode de mesure inversée, Robin Lenogue, 2009. Stage réalisé à l’Ins...

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