Restitution sonore individualisée aux basses fréquences en habitacle automobile

Personalised low-frequency sound reproduction in a car cabin

• Auteur / Autrice : Lucas Vindrola
• Direction : Bruno Gazengel, Manuel Melon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 19/05/2021
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Garcia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Gazengel, Manuel Melon, Alexandre Garcia, Véronique Larcher, Philippe Herzog
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe-Aubert Gauthier, Jens Ahrens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Haut-parleurs

Filtres adaptatifs

Sonorisation

Automobiles -- Habitacles

Mots clés libres

Zones sonores personnelles

Habitacle automobile

Optimisation sous contrainte

Filtrage adaptatif

Personal sound zones

Car cabin

Constrainted optimisation

Adaptive filters

Résumé

L’étude de la génération de bulles sonores est un sujet de grand intérêt depuis plus de vingt ans, l’industrie automobile étant l’un des principaux domaines d’application. L’objectif de cette thèse est d’étudier la faisabilité d’un système permettant de générer deux bulles (appelées zones) dans un habitacle automobile, les deux zones ayant des contenus sonores différents n’interagissant pas entre eux. Ce système doit être capable de maintenir ses performances pour des fréquences inférieures à 1 kHz, quelque soient les changements qui pourraient survenir.La première partie de cette thèse porte sur la conception d’un système capable d’obtenir un contraste acoustique (rapport d’énergies potentielles acoustiques entre les zones) d’environ 30 dB, tout en maintenant une faible erreur de reproduction dans la zone d’écoute. Un système à huit haut-parleurs a été proposé, consistant en deux appui-têtes comportant chacun quatre haut-parleurs. Le prototype a été testé expérimentalement dans trois environnements acoustiques différents : conditions anéchoïques, conditions anéchoïques avec panneaux réfléchissants et habitacle de voiture. Grâce à l’algorithme de « pressure matching », le prototype a permis d’obtenir un contraste acoustique moyen de 34,7 dB et une erreur de reproduction moyenne de 1.7 × 10−4 sur la largeur de bande étudiée dans l’environnement le plus complexe (habitacle automobile).La deuxième partie de cette thèse aborde la variabilité acoustique inhérente à l’habitacle. À l’aide du prototype susmentionné, trois modifications ont été étudiées expérimentalement : la position des sièges, l’élévation de l’appui-tête et l’ajout de passagers sur les sièges arrières. Les résultats montrent que le prototype maintient ses performances quelle que soit la modification introduite si un ensemble de filtres spécifiques est utilisé pour chaque configuration.Deux alternatives ont été étudiées pour obtenir ces filtres. L’une consiste à caractériser toutes les modifications possibles avant l’utilisation du véhicule (solution de type « base de données »), l’autre à mesurer la réponse de l’habitacle à l’aide de microphones pour recalculer les filtres en cours d’utilisation (solution de type « re-mesure »). Afin de rendre ces solutions plus adaptées à l’application automobile, la méthode « forced pressure matching » (FPM) a été développée. Cette méthode suppose que certains filtres sont imposés et permet de repenser la méthode du « pressure matching ». L’utilisation de la méthode FPM permet de réduire de 25% la quantité de stockage de la base de données et le temps de calcul d’environ 21%, ceci sans compromettre les performances.Une troisième alternative propose d’utiliser un algorithme de filtrage adaptatif, la méthode « filtered-x least mean squares » (FxLMS) pour s’adapter aux modifications. La caractéristique essentielle de sa mise en œuvre est que, pour calculer les filtres, il suffit d’avoir une connaissance imparfaite de la réponse de l’habitacle de la voiture (modèle du système). Dans cette thèse, le modèle du système est estimé en mesurant la réponse de l’habitacle une seule fois en une position. Cette réponse permet d’obtenir les coefficients initiaux des filtres nécessaires à l’algorithme FxLMS (à l’aide l’algorithme de « pressure matching »). Les résultats obtenus montrent que la méthode de filtrage adaptatif est capable de maintenir les performances du système quelle que soit la modification acoustique introduite.Enfin, une étude approfondie de la réduction du nombre de microphones installés dans la voiture montre que le système reste performant avec seulement huit microphones d’erreur, soit deux par oreille.

The generation of personal sound zoneshas been a topic of great interest for more thantwenty years, with the automotive industry as one ofits main fields of application. The goal of this thesis isto study the feasibility of a two-zone system, below 1kHz, capable of maintaining its performance topossible changes that might happen in a car cabin.The first part of this thesis focuses on designing asystem capable of achieving an acoustic contrast (theratio between the zones acoustic potential energy)around 30 dB, whilst maintaining a low normalisedreproduction error in the listening zone.An eight-loudspeaker system was designedconsisting of a four-loudspeaker custom headrest oneach seat. Furthermore, the prototype was built andtested experimentally in three different acousticenvironments: anechoic conditions, anechoicconditions with reflective panels and a car cabin.Using the pressure matching algorithm, the prototypeachieved a mean acoustic contrast of 34.7 dB and amean reproduction error of 1.7 × 10−4 over thestudied bandwidth, in a car cabin.The second part of this dissertation tackles theinherent acoustic variability of a car cabin. Using theaforementioned prototype, three differentmodifications were chosen to be studiedexperimentally: position of the seats, elevation of theheadrest and the addition of passengers in the backseats. The prototype was capable of maintaining itsperformance regardless of the acoustic modificationintroduced. However, a dedicated set of filters had tobe used for each “new-acoustic conditions”.Two different alternatives to obtain these dedicatedfilters were reviewed, to anticipate every acousticmodification (data-base solution) or to recharacterisethe car cabin with a few microphonesand recalculate the filters (re-measurementsolution). In order to make these solutions moreattractive for the car application, the forced pressurematching (FPM) method was introduced. Thismethod is a rethinking of the pressure matchingmethod when some filter responses are imposed inthe calculation. The use of the FPM for theapplication in hand, reduces the amount of storageneeded by the database-solution by 25% withoutcompromising the performance. Additionally, theFPM reduces the calculation time of the filters by ≃21% without compromising the performance.Lastly, as a third alternative, the use of adaptivefilter algorithms is proposed (specifically the widelystudiedfiltered-x least mean squares). The keyfeature of its implementation is that, in order tocalculate the filters, it only requires an imperfectknowledge of the car cabin (plant model).The method proposed in this dissertation assumesthat it is possible to characterise the car cabin onlyonce, for one position. Moreover, this information isused to define one plant model and to calculate thealgorithm’s initial coefficients (using the pressurematching algorithm). The method showed to becapable of improving the performance of the systemregardless of the modification. Lastly, a thoroughstudy on the reduction of microphones installed inthe car is performed, resulting in a successfulimplementation of the system with only eight errormicrophones.