[Aide] Réalisation d'un casque anti-bruit

[JoHoward]

Bonjour.

Alors voilà... dans le cadre de mon TPE en Première S SI, j'ai choisi de développer le sujet du casque anti-son (ou anti-bruit). Pour ceux qui ignoreraient ce que c'est, voici un petit lien pour expliquer le principe et le fonctionnement.
Et j'aimerais bien en « fabriquer » un (ou tout du moins reproduire le principe de fonctionnement) à l'aide de mon matériel pour expliquer étape par étape la façon dont le son est traité et pour faire une démonstration lors de l'exam. Les vrais casques qu'on peut trouver dans le commerce traitent le signal électriquement à l'aide de micros intégrés aux oreillettes du casque et d'un inverseur de phase (comme sur ce type de schéma). Tout se fait donc presque instantanément directement sur le casque. Mon problème est le suivant : je n'ai pas de tout petits micros ni d'inverseur de phase (même si c'est facilement bricolable). J'ai donc décidé de reproduire ça « logiciellement » en procédant comme ceci :
Mon/mes micro(s) sont reliés à ma mixette qui est elle-même reliée à l'ordinateur. Cubase est ouvert et j'ai une piste assignée à mes micros sur laquelle j'active le monitoring. Mon casque, qui est branché à l'ordinateur, me retransmet donc le son capté par le micro directement (enfin, si on peut dire...). J'ai essayé de réduire la latence au maximum (elle est de l'ordre de 5 ou 6 ms). Sur cette piste, j'active l'inversion de phase. Le son transmis par mon casque me transmet donc le son ambiant avec une phase inversée par rapport à celui capté par les micros.
Le truc étant que j'entends bel et bien une différence entre le moment ou j'active l'inversion de phase et le moment où elle n'y est pas, sauf que ça supprime pas tellement le bruit...
J'ai placé mes micros le plus près possible des oreillettes de mon casque (vu que je ne peux pas les rentrer à l'intérieur à cause de leur taille). Je sais qu'ils devraient logiquement être à l'intérieur afin de capter les mêmes fréquences que les oreilles pour diffuser exactement l'inverse, mais bon...

Bref, en théorie, ça devrait (plus ou moins) fonctionner ? Me trompe-je ? Ou est-ce que mon montage est foireux du début à la fin ? Ou est-ce que je pourrais essayer de bricoler un genre d'isolation semblable à celle de mon casque à placer autour de mes micros pour reproduire les conditions d'écoute ? Tant de questions...

A ceux qui sont à l'aise avec ce type de sujet ou à ceux qui auraient une idée de là où j'ai couillé : j'implore votre aide.
Merci d'avance.

[Sarausa]

L'opposition de phase, pour l'avoir bidouillée un peu sur audacity, je me suis rendu compte que si les deux ondes n'étaient pas en opposition exacte à l'échantillon près, il restait toujours du bruit. C'est une bête opération mathématique, qui fonctionne pareil avec un son échantillonné et un son "réél" perçu dans la vraie vie : chacun des points de l'onde diffère d'une certaine valeur soit par rapport au 0 du silence numérique, soit par rapport à la pression atmosphérique de l'air au repos. Si par exemple un point de ton onde numérique ou sonore s'écarte de sa valeur 0 de mettons +15 (dB, pascals, volts, ce que tu veux). Pour l'annuler tu as besoin d'une autre onde dont tous les points auront au même instant une valeur inverse. Si par exemple à t-1 ton onde avait pour valeur +14 et que tu lui oppose une onde qui a un retard de t+1, tu obtiens : 15-14 = 1 = c'est pas 0. D'où bruit.

Pour chercher à mettre une onde en opposition de phase, 5 ou 6 millisecondes (une longueur d'onde de 5 ms correspond à une fréquence de 200 Hz, c'est carrément dans le spectre audible) c'est énorme, je sais pas quelles sont les valeurs conseillées, mais n'importe quelle carte son, même la plus professionnelle, impose une latence dûe au processus : conversion analogique > numérique > traitement (ici inversion de phase) > reconversion > analogique ; sans compter la longueur du circuit électrique qui doit certainement générer du bruit. L'idée du coup ce serait peut-être de trouver un inverseur de phase analogique pour n'avoir plus que > traitement > et donc gagner de précieuses nanosecondes.

En tout cas, je te souhaite bonne chance pour cet intéressant projet

[Javeldose]

J'ai bien peur, comme le dit Max Demian, que logiciellement parlant, tu sois quelque peu ennuyé. Si tu étais dans un schéma purement analogique, tu pourrais agir plus efficacement comme on le fait en concert. La seule aide que je vois, ce serait d'appliquer après ce premier traitement une suppression par palier de décibel, comme un noise gate pour respectivement "rogner" ou "ignorer" les bruits résiduels. Mais même avec ça, ça me semble improbable. 6ms, c'est énorme, et difficilement rattrapable.

Bien évidemment, si tu avais un rack avec tout l'analogique dedans (et tout l'argent dehors du porte-feuille), ça serait envisageable. Mais dans une perspective de bricolage, le logiciel va peut-être montrer ses limites. Je ne pense pas qu'il faille passer par l'ordinateur. Sur les préampli, il y a des inverseurs de phases sinon. De là où je vois la chose, ça me semble le plus logique.

[Blast]

5/6 ms c'est évidemment trop pour une opposition de phase parfaite.
Ce que tu peux tenter c'est de la faire de manière physique :
- Tu splittes ta sortie de micro (a priori, il faut un vrai micro en XLR) pour avoir deux sorties (il faut jouer du fer à souder) tout en inversant le point chaud et le point froid d'une des deux sortie.
- Tu branche la prise normale sur l'entrée 1 de ta mixette et tu règles le gain de manière à l'entendre dans le casque.
- Puis tu branches la deuxièmes prise, regles le gain au même niveau mais le level au minimum.
- tu devrais alors toujours entendre dans le casque ce que prend le micro.
- Ensuite tu monte le level de la deuxième prise et alors le son devrait s'annuler.

Là c'est juste pour démontrer l'efficacité d'un inverseur de phase. Ensuite tu peux adapter le truc soit par un schema, soit par une application plus adaptée, ou par une démonstration sur ton sequenceur, mais avec une sequence enregistrée.

[JoHoward]

Je pensais bien que le problème venait de la latence... Mais effectivement, je pense qu'il sera difficile de descendre plus bas en procédant logiciellement. Je savais que si la phase n'était pas parfaitement opposée, il restait du bruit. Mais après avoir fait quelques tests sur Audacity en générant par exemple du 440 Hz, en mettant l'opposé par-dessus tout en la décalant d'un à trois échantillons, j'arrivais quand même à supprimer une grosse partie du bruit. Par que les courbes se compensaient sur une grande partie du motif de la phase. Mais 1 à 3 échantillons... on est quand même bien plus bas que 5/6 ms de latence.
Cela dit, même en faisant ça analogiquement, il restera du bruit parce qu'il sera toujours impossible de recréer la phase inverse exacte (entre les parasites, l'angle d'incidence du micro, etc...). Mais bon, on peut supprimer quand même jusqu'à 85% du bruit, je crois. J'en suis bien loin...
Je pense que je vais effectivement me rabattre sur un inverseur de phase analogique (bricolé ou non, ça doit être faisable dans mon labo de SI), parce qu'il se trouve que bizarrement je n'ai pas d'inverseur de phase sur ma mixette...

Après, la méthode du noise gate sera en effet pas utile dans mon cas, sachant que la différence entre sans l'inverseur et avec l'inverseur est infime. J'ai pas assez de bruit supprimé au départ pour enlever juste les « résidus » avec cette méthode.

Pour le bricolage du matos, mes notions en électricité sont encore bien maigres... alors je pense que je vais éviter, même s'il me semble avoir bien compris ta méthode, Blast.

Après, oui, je vais tout d'abord faire des démonstrations avec des séquences enregistrées en montrant bien par exemple que chaque son lu tout seul produit bien un bruit, même une fois la phase inversée, et que c'est seulement lorsque les deux sont lus en même temps que la magie opère. Mais reproduire le fonctionnement pour en faire une démo me semblait une bonne idée pour intéresser vraiment les profs. Je vais donc regarder un peu ce qu'il est possible de faire pour un inverseur de phase analogique, et lorsque j'aurai trouvé mon bonheur, je viendrai éventuellement donner des nouvelles sur le bon fonctionnement (ou non) du truc, si ça peut en intéresser quelques uns.
Merci pour vos réponses, en tout cas.

[Blast]

Sauf erreur, 5 ou 6 millisecondes sur un enregistrement à 44100 hertz, c'est environ 250 échantillons
C'est donc vraiment too much.

Pour le cablage c'est vraiment fastoche pour peu que tu saches tenir un fer à souder :
Sur un XLR normal, il y a 3 fils :
- 1 = masse,
- 2 = chaud
- 3 = froid
Il te faut 3 connecteurs, un femelle et deux males.

Tu soudes deux fils par broche sur la prise femelle, deux sur le 1, deux sur le 2, deux sur le 3.
Pour le connecteur normal male, tu fais un branchement normal : 1 sur 1, 2 sur 2, 3 sur 3
Pour le connecteur inversé male, tu fais un branchment : 1 sur 1, 2 sur 3 et 3 sur 2 (et tu marques ce connecteur d'un beau symbole Ø pour le reconnaitre)
Ainsi tu n'as pas à modifier ton cable de micro, tu branches simplement ton micro sur ce cable special (que tu peux garder dans ta valise si un jour tu veux enregistrer un truc en opposition de phase (le timbre d'une caisse claire par exemple).

[Kradukman]

Pour la captation, faut utiliser un micro à électret car ils sont facilement miniaturisables.
Ensuite, tu t'arranges pour virer un son continu donc, on vise comme dans le commerce, tout le bruit en-dessous de 1000Hz (ça fait déjà un bien fou de pas entendre tout ça). Pour ce faire, soit tu as une courbe de réponse qui se limite à un peu plus d'un 1kHz soit tu tapes un filtre analogique passe-bas à l'aide d'un inducteur (bobine/self).
Le micro te servira à capter le bruit ambiant.
A ce moment là, soit tu utilises l'histoire de la soudure et tu récupère le point froid qui viendra s'ajouter à ton signal (la musique en l'occurence), soit tu utilises un ampli-op (il me semble que ça permet aussi d'inverser la phase du signal) http://www.electronique-radioamateur.fr ... ge-aop.php

J'pense que ça devrait le faire.

[/mode ingénieur]

Faut être bien conscient qu'avec ça, tu vas virer une composante continue. Ça ne marche pas sur les sons ponctuels (du moins, mon casque actif ne le fait pas).

PS: L'inverseur de phase, ça coûte moins de 10€ à fabriquer. Faut juste un fer à souder.

[JoHoward]

Merci, Krak'.
Je jetterai un œil avec mon prof d'élec, parce que y'a certaines choses qui me sont encore inconnues ou floues sur les différents montages.
Après, je sais que le but est de virer un son style un moteur ou un ventilateur. Je ne crois pas qu'il soit (encore) possible de virer, comme tu dis, des sons ponctuels style voix.
En tout cas, merci du lien et des infos !

Blast, si j'ai bien compris j'aurais besoin de faire un câble en Y (femelle --> mâle et mâle) ? Est-ce que tu penses que modifier l'une des mâles sur un câble comme ça ferait l'affaire ?
Après, le problème est que logiquement la captation du son pour un casque anti-bruit se fait avec deux micros (un pour chaque oreillette). Je pourrais employer ma paire de micros stéréo, seulement j'ai que deux voies micro sur ma mixette, et si j'ai bien compris je vais les utiliser toutes les deux avec qu'un seul micro... Après, qui sait, peut-être qu'une seule captation retransmise dans les deux oreillettes en mono fera l'affaire. Après tout, j'essaye pas de créer un truc ultra performant ni facilement trimballable...

[Kradukman]

Je pense pas. Le but du split avec le câble, c'est de récupérer le signal en opposition de phase:
Tu as un signal normal sur le point chaud, un en opposition de phase sur le point froid. Lors de la désymétrisation, on inverse le signal froid => le bruit ajouté dans le même sens sur les deux canaux se retrouve en opposition de phase et s'annule.
Ici, le but, c'est juste de garder le signal du point froid et de venir l'ajouter au signal musical. (me semble-t-il)

[Blast]

Blast, si j'ai bien compris j'aurais besoin de faire un câble en Y (femelle --> mâle et mâle) ? Est-ce que tu penses que modifier l'une des mâles sur un câble comme ça ferait l'affaire ?

Ouais, nickel.

Après, le problème est que logiquement la captation du son pour un casque anti-bruit se fait avec deux micros (un pour chaque oreillette). Je pourrais employer ma paire de micros stéréo, seulement j'ai que deux voies micro sur ma mixette, et si j'ai bien compris je vais les utiliser toutes les deux avec qu'un seul micro... Après, qui sait, peut-être qu'une seule captation retransmise dans les deux oreillettes en mono fera l'affaire. Après tout, j'essaye pas de créer un truc ultra performant ni facilement trimballable...

Hum, pas certain. quelques centimetres suffisent pour le déphasage donc deux micros restent nécessaires. Pourquoi ne pas prendre qu'une voix de chaque micro stereo ? ça peut changer la directivité ou le timbre, mais c'est du pre-prototype, là.

Après, je sais que le but est de virer un son style un moteur ou un ventilateur.

Si c'est un bruit cyclique, alors il y a peut-être un truc à tenter : augmenter progressivement le décalage temporel dans ton logiciel (avec un plugin de delay par exemple) jusqu'à chopper le cycle suivant. En plus, ça aurait probablement l'avantage de justement ne pas filtrer les voix et donc permettre un filtrage specifique. C'est de la théorie pure, mais ça pourrait fonctionner.

Je pense pas. Le but du split avec le câble, c'est de récupérer le signal en opposition de phase:
Tu as un signal normal sur le point chaud, un en opposition de phase sur le point froid. Lors de la désymétrisation, on inverse le signal froid => le bruit ajouté dans le même sens sur les deux canaux se retrouve en opposition de phase et s'annule.
Ici, le but, c'est juste de garder le signal du point froid et de venir l'ajouter au signal musical. (me semble-t-il)

Ici, je ne parle que de la séquence démonstration du fonctionnement : un micro avec deux sorties en opposition de phase. les deux dans la mixette, l'une des voie ouverte, l'autre fermée, on entend. on inverse les voies, la premiere fermée, l'autre ouverte, on entend. Mais si on ouvre les deux, le son capté par le microphone disparait.
Pour l'adaptation à un casque anti bruit, il faut bosser le concept pour trouver une application.

[JoHoward]

Pourquoi ne pas prendre qu'une voix de chaque micro stereo ?

C'est-à-dire ?

Je vais tenter l'idée du delay, aussi. C'est pas con, comme théorie, ça !
Après, je pense que l'unité pour augmenter le décalage temporel sur le plug-in risque d'être trop grande pour retomber pile sur un cycle de mon son d'origine. Ça doit se compter en ms ou quoi, ça reste assez grand par rapport à mon décalage de base. Mais ça coûte rien d'essayer, de toutes façons.

Pour l'adaptation à un casque anti bruit, il faut bosser le concept pour trouver une application.

Hé bien justement, s'il se trouve que le bricolage fonctionne bien, je peux relier la sortie casque de mon PC à l'entrée CD/TAPE de ma mixette. Comme ça, avec mon casque branché dessus, je peux à la fois écouter (ou justement ne pas écouter) le son de mes micros et aussi le son venant de mon PC comme une musique. Je peux combiner les deux signaux comme sur un vrai casque anti-bruit, donc. Sûr que ça demande du matos et de la place (micros, mixette, PC, etc...) et qu'on pourra pas le trimballer pour aller prendre le train, mais tant que ça marche...

[Blast]

Pourquoi ne pas prendre qu'une voix de chaque micro stereo ?

C'est-à-dire ?

Ben, chaque micro stereo a deux sorties, non ? ou bien une masse et deux positifs si c'est un jack stereo, correct ?
Donc si tu as deux micro stereo, ça te fais 4 branchements.
Mais si tu ne prend qu'une sortie par micro, tu perds la stereo (du micro, mais ça on s'en fiche) mais tu redescends à deux branchements, donc tu peux utiliser ta mixette. Non ?

[JoHoward]

Ah, je pense avoir compris... Non, j'ai deux micros standards mais c'est une paire prévue pour enregistrer en stéréo (les deux petits cigares des Joutes, si tu te rappelles ).
Je crois que je commence à y voir un peu plus clair. En réalité, le bricolage du câble en Y n'est pas utile dans mon cas, si j'ai bien compris. Ça servait juste à créer deux signaux opposés (phase normale et phase inversée) et de switcher d'un à l'autre en changeant de voie sur ma mixette ou de mettre les deux en même temps pour du silence, c'est bien ça ? En réalité, si je bricole un câble seul en inversant le point froid et le point chaud, ça suffit à créer une opposition de phase ? Je pensais que c'était tout le dispositif du câble en Y qui servait à reproduire l'opposition de phase... Donc si je bricole deux câbles standards de cette façon-là, que j'en mets un par voie, j'ai mon opposition de phase pour mes deux micros ?

(Désolé si je suis un peu long à la détente, la connectique c'est des notions toutes nouvelles pour moi...)

[pierreM]

Si le micro n'est pas très proche du haut parleur, ca foire : tu perds le déphasage dû à l'angle d'où provient ton son.

Je me demande si un système très simple du genre un amplificateur opérationnel sur la tension d'un micro qui serait juste en sortie de ton haut parleur, qui inverserait la tension et la reservirait au haut parleur ne marcherait pas. En clair : s'il y a du son, je demande au haut parleur d'émettre le son inverse, mais instantanément. Pour les longueurs d'ondes clairement supérieures à la distance micro-haut parleur, ca peut marcher; et le fait même que le haut parleur mette du son dans le micro rend le système stable. Avec le risque de quadrupler le volume des longueurs d'onde de l'ordre de la distance*2 ou moins...

Je n'ai pas fait les calculs, ce n'est qu'une idée vague, mais c'est à voir. L'avantage est le temps de réaction quasi nul d'un AO (~µs).

[ouais en fait c'est exactement ce que proposait Blast au final]
Je mets en spoiler: le système exploserait en fait : l'AO entrerait en raisonnance.

Cas plus simple : tu passes par ton PC. Là, il y a un problème : en 1ms, le son parcourt 33cm, et comme je suppose que celui qui a dit que la carte son avait cet ordre de temps de réaction a dit vrai, renvoyer le même signal ne servirait à rien. Du coup il te faut calculer quel sera le son dans 1ms environ! Pour ca, il te faut une décomposition de Fourier : tu as chaque composante du son ambiant, tu lui mets le déphasage qu'il faut et c'est réglé. Mais là, le son émis par le casque devient un parasite au contraire, donc le micro devra être à l'extérieur, et isolé du casque.

L'avantage, c'est que tu peux ne couper que certaines gammes de sons : les très aigus et les très graves, laissant ainsi les voix humaines passer.


[édité]

[Blast]

En réalité, le bricolage du câble en Y n'est pas utile dans mon cas, si j'ai bien compris. Ça servait juste à créer deux signaux opposés (phase normale et phase inversée) et de switcher d'un à l'autre en changeant de voie sur ma mixette ou de mettre les deux en même temps pour du silence, c'est bien ça ?

Oui, c'était uniquement pour la démonstration et les tests initiaux.

En réalité, si je bricole un câble seul en inversant le point froid et le point chaud, ça suffit à créer une opposition de phase ?

Exact.

Donc si je bricole deux câbles standards de cette façon-là, que j'en mets un par voie, j'ai mon opposition de phase pour mes deux micros?

Oui, mais c'est toujours de la théorie. Il faut encore l'amplifier et la réinjecter au bon niveau et sans latence dans le casque, et sans que les micros ne captent ce signal, sinon ça va foirer.
Si la solution était simpliste, elle serait appliquée sur tous les casques depuis longtemps.
La directivité va jouer aussi ainsi que les courbes de fréquence des micros et du casque.