Système de reproduction hybride casque + hauts parleurs

[LeChacal619]

Bonjour à tous !

Je souhaite relater ici ma démarche et mon expérience personnelle pour la reproduction sonore et en particulier via un casque audio.

Convaincu depuis une écoute chez Franck, membre de ce forum, que la qualité d'écoute est liée à la capacité à restituer la "spatialisation", i.e. la perception en 3-dimensions du son tel qu'il est perçu dans une pièce d'écoute, je tente depuis plusieurs mois de reproduire le son en 3-dimension via la reproduction binaurale avec un casque audio et des filtres HRTF individualisés.

Pour faire simple, lorsque nous baignons dans un champ sonore, le son que nous percevons est transmis par vibration de la cochlée. Cette cochlée peut être excitée de deux façons :

1. par de l'énergie transmise par vibration des fluides osseux et des os crâniens (bone conduction).
2. par de l'énergie transmise par vibration de l'air, qui provoque la vibration de la membrane tympanique puis du malleus.

Quelques images valent mieux qu'un grand discours :

(source: https://www.tradekorea.com/product/detai...rbuds.html)

(source: http://humanphysiology.academy/Hearing/Hearing2.html)

Le son peut être d'après des études scientifiques (dont une thèse) reproduit de façon équivalente via air conduction ou bone conduction, un sinus d'une quelconque fréquence joué avec une amplitude et une déphasage approprié via les deux chemins pouvant s'annuler.

Le son nous parvient majoritairement via air conduction et avant d'atteindre la membrane tympanique, le signal sonore subit un filtrage appelé Head Related Transfer Function (HRTF), ou filtrage de tête. Ce filtre est différent selon l'angle d'incidence du signal sur le plan sagittal (horizontal) et azimutal (vertical) et permet à notre cerveau de localiser le son perçu en 3 dimensions. Ce filtre est différent également entre deux individus car il dépend de notre morphologie (épaules, tête, pavillon de l'oreille, forme, diamètre, longueur du conduit auditif etc.).

Pour reproduire le son en 3D via des écouteurs ou un casque, il suffit donc, si on néglige le son perçu via bone conduction, de reproduire le signal qui parvient à notre tympan. Cela peut être donc fait en utilisant un casque ou des écouteurs et avec un filtre approprié.

C'est la solution que j'envisage, en utilisant des subwoofers classiques pour reproduire le bas du spectre qui reproduirait les vibrations du corps, indispensable selon moi pour reproduire la sensation de "puissance" et de réalisme que ne saurait reproduire un casque ou des écouteurs utilisés seuls.

J'ai acheté divers casques et écouteurs pour évaluer si certains sont plus performants que d'autres. Entre autres, j'ai expérimenté :

• Casque circum-aural ouvert AKG K702 (~120€),
  
• Casque circum-aural fermé Sennheiser HD8Dj (~240€),
  
• Casque circum-aural fermé Hyper X Cloud II (~90€),
  
• Casque supra-aural fermé SONY MDR-ZX660 (~60€),
  
• Intra-auriculaires Final Audio E2000 (~60€),
  
• Intra-auriculaires Etymotic Research ER4-B (~200€),
  
• Ecouteurs Sennheiser MX365 (~15€).
  

Après divers réglages et essais, j'en suis arrivé à la conclusion qu'après correction, le MX365 pouvait reproduire un son de qualité équivalente à n'importe quel autre. Voici par exemple une mesure de distorsion que j'ai fais avec un micro électret miniature (4mm. de diamètre) que j'ai placé dans mon oreille, proche du tympan, avec le Sennheiser MX365 sur mes oreilles. Le niveau SPL n'est pas calibré et le micro, non calibré, présente une atténuation dans les aigus. Voici une mesure de la distorsion sur un logsweep relativement court et à un SPL qui commence à devenir difficilement soutenable :


Comme on peut le voir, aucune distorsion anormale n'est mesurée. A l'écoute sur des sine bursts à très fort volume, qui permettent de tester l'écouteur avec un SPL plus élevé que celui que je ne peux tolérer sur un logsweep, je détecte cependant une distorsion audible jusqu'à 115hz environ, les hauts parleurs ayant du mal à tenir le niveau dans le grâve.... Les écouteurs me faisant un peu mal aux oreilles, car à peine trop gros, j'envisage actuellement d'utiliser d'autres écouteurs plus petits à 5€ ou 10€ pièce (j'ai commandé deux modèles, je choisirai le plus confortable des deux). La bande passante sous 200hz serait reproduire avec des hauts parleurs large-bande Visaton FR10S (6€) de 10cm et placés contre les oreilles, sur un casque que j'ai vandalisé pour l'occasion. Ils reproduiront donc la bande passante 20-200hz environ en attendant de construire un caisson avec des subwoofers prévu à cet effet qui prendra le relais sous 80hz :




Le faible volume clos me permettrait d'obtenir un gain sensible de SPL (+30dB environ d'après une simulation, mais probablement un peu moins en réalité), de m'affranchir des distorsions de pièces (murs de placos, meubles qui vibrent, vaisselle etc.), et du bruit de mon ampli de sono, qui sera situé à l'extérieur du caisson...

La méthode que j'utilise actuellement pour estimer mes propres filtres HRTF individualisés est la suivante :

1. Je mesure dans une position d'écoute normale la source G sur mon système d'écoute stéréo normal, micro positionné dans l'oreille au plus près du tympan : appelons cette réponse A.
2. Je mesure la réponse des écouteurs avec le micro positionné dans l'oreille au plus près du tympan, appelons cette réponse B.
3. Je réalise l'opération A/B pour corriger la réponse des écouteurs et reproduire le même signal que la source G sur mon système d'écoute stéréo normal au tympan. Le micro n'a pas besoin d'être calibré, puisque toute erreur provoquée sur la mesure A est identiquement présente sur la mesure B : lors de l'opération A/B, l'erreur en phase et amplitude provoquée par la chaîne de mesure est donc parfaitement compensée. Seule persiste l'erreur de reproduction inhérente à mon système utilisé pour la mesure. Mais comme il est plus facile de mesurer et corriger ce système que de calibrer le micro, cette méthode est celle qui me convient le mieux pour estimer mon propre filtre HRTF individualisé.

Je réalise cette opération pour la source D également si je veux reproduire un son stéréo, mais je peux également utiliser toujours la source G en orientant ma tête selon l'angle d'incidence que je souhaite mesurer. 

En tournant ma tête à -30°/0°/30°/110°/150°/210°/250° je peux donc reproduire des sources "fictives" nécessaires pour une reproduction en configuration surround 7.1.

J'ai réussi aujourd'hui à obtenir une spatialisation plutôt précise, je ne vous raconterai pas la journée de galère à refaire 10 fois les mêmes filtres en essayant toutes les méthodes possibles et imaginables (fenêtrages, spectral average de plusieurs mesures...), le son semble correctement provenir de l'extérieur de la tête pour un son de face, ce qui est le plus sensible/difficile à reproduire correctement. J'ai également réussi à atteindre une qualité d'écoute très satisfaisante après quelques ajustements avec les écouteurs MX365 : la solution me semble donc prometteuse.

J'espère que les écouteurs à 5€ que je vais probablement utiliser auront une réponse suffisamment peu variable pour pouvoir en commander plusieurs, disons 5 ou 6, et les distribuer avec mes filtres HRTF individualisés pour voir si les filtres générés peuvent suffisamment convenir à d'autres personnes pour restituer une écoute agréable avec ces fameux écouteurs. A niveau d'écoute faible/modéré, j'espère que les écouteurs seuls devraient normalement pouvoir reproduire la quasi totalité du spectre de façon relativement fidèle.

J'espère que cela éveillera en tout cas votre curiosité et je me ferai un plaisir de répondre à toutes les questions et/ou critiques qui vont probablement fuser