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 

[LeChacal619]

Bonjour,

J'ai reçu les Visaton FR10F. Mesures micro ECM8000 avec calibration SPL placé à 0.5cm environ du cache noyau, haut parleur non bafflé posé sur la table à l'horizontale :



Avec un paramétrique  Fc 200 Hz Gain -10 dB BW Oct 1.1442 :


Je compte sur le volume clos autour de l'oreille pour booster le grâve. J'ai cherché comment faire pour mettre le coussinet sur le haut parleur étant donné que le haut parleur fait environ 101mm de diamètre extérieur, si je venais à découper les fixations, alors que le coussinet à l'air d'être prévu pour se fixer sur un rebord de 98mm. de diamètre environ, et qu'en admettant que j'arrive à fixer ainsi le coussinet, il toucherait la suspension qui n'est pas suffisamment reculé. En plus, le coussinet n'est pas suffisamment épais non plus et l'oreille toucherait également le cone du haut parleur.

Le mieux que j'ai trouvé c'est un bouchon de visite de 100mm de diamètre : j'ai d'abord découpé pour réduire la profondeur, puis j'ai découpé la partie hexagonale du bouchon qui fait à peu près le diamètre intérieur du coussinet pour laisser passer l'air : https://drive.google.com/open?id=1sLlHoe...mFGl2Z_F95-

C'est non seulement parfait au niveau des dimensions, mais en plus cela me permettra de démonter facilement le haut parleur si besoin ! Ca coûte 2.5€, c'est pas très lourd et c'est solide...

Maintenant j'aimerai placer par dessus le fond en mousse pour protéger légèrement le haut parleur et atténuer les aigus (qui seraient éventuellement généré par les distorsions puisque ce HP n'est censé reproduire que des aigus).

https://drive.google.com/open?id=1Mwd-Bj...t4Uz8Bv4Va
https://drive.google.com/open?id=1YjvyVZ...9G5QAiDs54
https://drive.google.com/open?id=1l3Nr25...kONofmmslu

Que me conseilleriez-vous d'utiliser comme colle pour coller le coussinet sur la mousse et sur le bouchon PVC, sachant que cela doit probablement combler 1mm. environ de vide entre le coussinet et le PVC ? Merci !!!

[Franz]

Je ne pourrai pas t’aider techniquement, mais je suis ton sujet avec intérêt.

Simple petite question : pourquoi ne pas simplement te faire une install en ambiophonie, ou encore en quadriphonie (émulée depuis de la stéréo, du type de l’excellent résultat obtenu avec un surround master d’Involve audio, par exemple...)

[LeChacal619]

Bonjour,

Merci pour ta réponse.

(02-27-2019, 06:09 PM)Franz a écrit : Simple petite question : pourquoi ne pas simplement te faire une install en ambiophonie, ou encore en quadriphonie (émulée depuis de la stéréo,  du type de l’excellent résultat obtenu avec un surround master d’Involve audio, par exemple...)

Non je ne connais pas vraiment ce style de reproduction, mais a tout hasard je dirai s'il s'agit d'un système avec quatre sources :

1. C'est plus cher,
2. Ca ne me permettrait pas d'obtenir le SPL souhaité en grâve sans réaliser mon caisson, pour doubler le niveau de grâve que j'ai actuellement, il me faudrait sinon remplacer mes 16subs de 30cm par un peu plus de subs en dipôle de 38cm. Même si j'ai trouvé des HPs de 38cm à 25€ pièce et que le baffle-plan serait simple à réaliser avec une planche de 50€ de MDF 50mm., cela demanderait encore un sacré investissement.
3. Je n'aurai aucune solution pour empêcher les vibrations de la pièce. A moins de tout refaire entièrement, et l'investissement serait là d'au moins 10000€ je pense car traiter acoustiquement entièrement une pièce (murs, plancher, plafond, etc.) c'est un travail et une technique colossal, ne serait-ce que pour empêcher la vibration des murs et du plafonds ! Quand je pense que même la dalle en béton vibre....

Je sais que la technique de reproduction binaurale à partir d'un enregistrement ambisonique d'ordre 5 ou plus permet selon les articles que j'ai lu une restitution extrêmement proche de la réalité : si je peux le faire avec des écouteurs à 10€, un casque fabriqué par mes soins à moins de 100€, je me dis que c'est la meilleure piste à suivre.

Il existe aussi les techniques de Wave Field Synthesis mais complexe à mettre en oeuvre et des défauts très gênants à l'écoute de "smearing" je crois si mes souvenirs sont bons. Aurais-tu des liens en particulier sinon à ce sujet ? Quels seraient selon toi les avantages d'un tel système ?

[Franz]

J’ai utilisé pendant plusieurs années le processeur analogique d’Involve audio. Très bien mais de gros défauts pour moi :
1) je suis en full actif au niveau de mes enceintes, donc grosses longueurs de câbles , et comme...
2) le processeur n’a que des sorties rca, pas mal de souffle dans les enceintes arrière avec plus de 6m de câble
et 3) je suis en xlr, donc symétriseur obligatoire pour garder une bonne qualité sur les enceintes avant, donc coût supplémentaire...

Ce processeur, sur un système classique (pas actif) permet en revanche avec idéalement 4 enceintes identiques, d’émuler un signal quadriphonique sur toute source stéréo (+ une sortie caisson rca en prime). Et c’est considérablement plus naturel que tous les systèmes 7.1 ou xxx avec des processeurs home cinéma hors de prix que j’ai pu écouter.

Tu as aussi un peu le même résultat avec les petits plugins ambiophoniques à ajouter au signal audio (il faut que je les retrouve...), + une disposition des enceintes très peu écartées (10 à 20 ° seulement au lieu de 60 en écoute classique « stéréo »), mais sans la spatialisation arrière de la quadriphonie.

Apres, ces solutions, financièrement, demandent évidement autre chose que de multiples hps à quelques euros . Je n’ai aucune idée du rendu que tu peux obtenir chez toi, donc difficile de comparer, mais j’ai toujours le processeur involve audio que je n’utilise plus, si tu veux faire un essai (mais il te faudra au moins 4 canaux d’amplification et 4 enceintes idéalement identiques et de qualité pour en profiter...)

Sinon sur l'ambiophonie, le site de référence : http://www.ambiophonics.org

Pour les filtres HTRF, home audio fidelity (francais et inscrit sur le forum...) en propose pour une centaine d’euros...pas aussi spectaculaire, mais ça améliore bien la reproduction. Tu as le systeme BACCH aussi, développé par l’universite de Princeton, probablement l’équivalent avec le hardware compris, mais là compte plutôt 5000$ (avec le Dac et la caméra/head tracking, quand même)

[LeChacal619]

(02-27-2019, 07:22 PM)Franz a écrit : Tu as aussi un peu le même résultat avec les petits plugins ambiophoniques à ajouter au signal audio (il faut que je les retrouve...), + une disposition des enceintes très peu écartées (10 à 20 ° seulement au lieu de 60 en écoute classique « stéréo »), mais sans la spatialisation arrière de la quadriphonie.

Ah oui je connais ça, le crosstalk cancellation. J'en ai fais mais avec une planche pour séparer les champs sonores plutôt qu'avec du traitement numérique. Avec le traitement numérique, les hautes fréquences ne peuvent pas être séparées à cause de l'incertitude dû aux trop petites longueurs d'ondes.

Citation :Je n’ai aucune idée du rendu que tu peux obtenir chez toi, donc difficile de comparer,

Chez moi je trouve le grâve moche, les mediums/aigus plutôt bien mais pas équivalent encore à une écoute en plein air. Ca n'est pas très naturel car la pièce est très absorbante, mais l'avantage c'est que je peux davantage pousser le volume... Je pense qu'écoute naturelle et fort SPL sont antinomiques. Un audiophile qui est venu écouter la semaine dernière, qui me paraissait avoir une très bonne oreille, m'a dit que les grâves étaient les meilleurs qu'il avait jamais entendu, il m'a fait ajusté un peu les aigus et m'a dit qu'il y avait un très bon potentiel avec une très légère égalisation supplémentaire.

Citation :Tu as le systeme BACCH aussi, développé par l’universite de Princeton, probablement l’équivalent avec le hardware compris, mais là compte plutôt 5000$ (avec le Dac et la caméra/head tracking, quand même)

Oui pour palier à notre incapacité à faire des filtres HRTF, le headtracking permet de leurrer un peu plus facilement le cerveau. Cela dit ça ne change rien pour moi au fait que l'on doit pouvoir faire beaucoup mieux sans headtracking. A ces sommes là, c'est impensable pour moi : je souhaite faire au moins cher pour permettre à d'autres d'en profiter également.

Pour l'instant le système que j'envisage se limite à 120€, un petit ampli de 2x10W probablement pour le casque et une carte son 7.1 pour pouvoir reproduire du binaural en 7.1 car sinon je n'ai pas les canaux à disposition pour les effets sur windows..., disons 100€.

Mais je n'ai pas encore de résultat exceptionnel, mais je progresse !

[Franz]

J’ai aussi beaucoup gagné en spatialisation chez moi avec à la fois une écoute en nearfield (préconisations cardas) et surtout l’ajout massif de diffuseurs acoustiques. Tu peux t’en fabriquer toi même, et quand ils sont bien positionnés on a l’impression d’avoir quintuplé la taille de la pièce d’écoute (selon les enregistrements, tu as vraiment l’impression de pouvoir passer d’un petit studio à un hangar ou à une acoustique d’eglise...)...avec souvent des retours arrières assez surprenants.

Tu peux te fabriquer toi même des diffuseurs quadratiques ou skyline en bois, tous les plans se trouvent assez aisément sur le net...

[LeChacal619]

(02-27-2019, 07:50 PM)Franz a écrit : J’ai aussi beaucoup gagné en spatialisation chez moi avec à la fois une écoute en nearfield (préconisations cardas) et surtout l’ajout massif de diffuseurs acoustiques. Tu peux t’en fabriquer toi même, et quand ils sont bien positionnés on a l’impression d’avoir quintuplé la taille de la pièce d’écoute (selon les enregistrements, tu as vraiment l’impression de pouvoir passer d’un petit studio à un hangar ou à une acoustique d’eglise...)...avec souvent des retours arrières assez surprenants.

Tu peux te fabriquer toi même des diffuseurs quadratiques ou skyline  en bois, tous les plans se trouvent assez aisément sur le net...

C'est justement la raison pour laquelle je souhaite faire une écoute binaurale : pour pouvoir ajouter ou supprimer cette fameuse "diffusion", ou devrais-je plutôt dire "réverbération", quand je le souhaite. Les diffuseurs, c'est coûteux, il faut de la place, et à chaque fois qu'on veut changer la "spatialisation" (je met entre guillemet parce que pour moi la spacialisation c'est surtout la capacité à reproduire la directionnalité en 3D des sons qui nous proviennent), il faut enlever ou ajouter des diffuseurs.

En attendant j'ai trouvé un échantillon audio sur lequel je pourrais tester le son, et en particulier les grâves, j'espère que ça va vous plaire : https://youtu.be/ImoQqNyRL8Y?t=202
la même vidéo un peu plus tard : https://youtu.be/ImoQqNyRL8Y?t=400

A volume réaliste il va me falloir un sacré SPL à 20hz voire moins, TOUT VA VIBRER MOUAHAHAH 

[LeChacal619]

Bonjour,

Les écouteurs à 5 et 10€ que j'ai essayé récemment ne me conviennent pas car inconfortable au bout d'un moment et distordent à partir de 300hz environ.

J'ai récemment lu un papier intéressant, je tenais à le partager : http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=19774
La conclusion de l'article est la suivante : pour les casques de type "around-ear" (circum-aural), le prix et la qualité est très faiblement corrélé. Pour les casques de type "on-ear" (supra-aural et supra-concha) et "in-ear" (intra-concha et intra-auriculaire) le prix et la qualité n'est pas du tout corrélée. A priori deux sites à éviter : CNET et PC Mag.

Concernant mes recherches, j'en suis arrivé à la conclusion qu'un casque électrostatique est le meilleur choix. Pour faire court, le taux de distorsion est imbattable et ce type de membrane n'oppose pas de contre-réaction, car elle est ultra légère et l'accélération est contrôlée (plutôt que la vitesse).

J'ai trouvé une copie des intra-auriculaires Apple Earpods à 8€ sur amazon : https://www.amazon.fr/Moker-Ecouteurs-In...%A9couteur

Je n'ai jamais essayé ce design d'intra-auriculaires, mais il se pourrait qu'ils me soient plus confortables. Je pense aussi qu'ils isolent faiblement. J'ai donc comparé le STAX SR-L300 (éléctrostatique ouvert) avec les intra-auriculaires Apple Earpods sur un site sérieux : https://www.rtings.com/headphones/tools/...eshold=0.1

Sur ce lien on peut comparer directement le graphe souhaité (peut être plus pratique, mais aussi moins complet) : https://www.rtings.com/headphones/1-2/gr...7/2031/406

Avec un ou deux paramétriques il est très facile d'arriver à une courbe similaire au Stax.
Il a du mal à descendre dans le bas du spectre, mais j'envisage une transition avec mon caisson à 130hz environ ce qui devrait être juste limite.
La consistance de la réponse à un positionnement à l'air plutôt bonne, même s'il y a quelques dB d'écarts il n'y a pas de variations excessives dans l'extrême aigu (on est même mieux que le Stax au-délà de 10khz !). 
La distorsion est exceptionnellement basse : plus basse que la plupart des modèles mesurés, y compris des modèles à plus de 3000€....

La version à 7€ que j'ai commandé sur amazon devrait avoir les mêmes caractéristiques puisque je pense que ce qui compte est essentiellement la forme de l'écouteur, la façon dont le son est "injecté" dans l'oreille, et la faible isolation qui permet à l'énergie sonore de ressortir facilement du conduit auditif.

[LeChacal619]

Bon, ça y est on a débuté les travaux dans la soirée comme des boeufs : trop motivés :-)

Quelques images :


Je pense que d'ici dimanche je pourrais faire des mesures du caisson complètement clos. Je vérifierai avant de le fermer la pression SPL caisson ouvert, puis caisson clos à l'intérieur et enfin à l'extérieur pour calculer la différence intérieur/extérieur pour voir combien de décibels je gagne (en plus) à l'intérieur et combien je gagne (en moins pour le plus grand bonheur de mon voisin) à l'extérieur :-D