CASQUE AUDIO À CONTRÔLE ACTIF DE BRUIT ANC AVEC PRÉVENTION DES EFFETS D'UNE SATURATION DU SIGNAL MICROPHONIQUE FEEDBACK

Abstract

 Le casque comporte un contrôle actif de bruit, avec un microphone ANC interne (28) placé à l'intérieur de la cavité acoustique (22) et délivrant un signal comportant une composante de bruit acoustique. Un processeur numérique de signal DSP (50) comprend une branche ANC feedback (54) appliquant une fonction de transfert de filtrage (54, H_FB2) au signal délivré par le microphone ANC, et des moyens de mixage (46) du signal de la branche feedback avec un signal audio à reproduire (M). Le casque comprend un capteur de mouvement (64) monté sur l'un des écouteurs. Le DSP comprend des moyens (68) pour analyser concurremment i) le signal délivré par le microphone interne (28) et ii) le signal délivré par le capteur de mouvement (64), et vérifier si des caractéristiques courantes de ces signaux vérifient ou non une batterie de critères prédéterminés. En amont du filtre ANC feedback (54), un filtre anti-saturation (70, H_FB1) est sélectivement commuté en fonction du résultat de cette vérification. Le filtrage d'une branche d'égalisation (58, H_EQ2) du signal à reproduire (M) est également modifié par un filtre anti-saturation similaire (72, H_EQ1).

Description

[0001] L'invention concerne un casque audio comprenant un système de "contrôle actif de bruit".

[0002] Un tel casque peut être utilisé pour l'écoute d'une source audio (musique par exemple) provenant d'un appareil tel qu'un lecteur MP3, radio, smart-phone, etc. auquel il est relié par une liaison filaire ou bien par une liaison sans fil, notamment une liaison de type Bluetooth (marque déposée du Bluetooth SIG).

[0003] S'il est pourvu d'un ensemble microphonique apte à capter la voix du porteur du casque, il est également possible d'utiliser ce casque pour des fonctions de communication telles que des fonctions de téléphonie "mains libres", en complément de l'écoute de la source audio. Le transducteur du casque reproduit alors la voix du locuteur distant avec lequel le porteur du casque est en conversation.

[0004] Le casque comprend généralement deux écouteurs réunis par un arceau. Chaque écouteur comprend une coque fermée logeant un transducteur de reproduction sonore (ci-après simplement désigné "transducteur") et destinée à être appliquée autour de l'oreille de l'utilisateur avec interposition d'un coussinet circumaural isolant l'oreille de l'environnement sonore extérieur.

[0005] Il existe également des écouteurs de type dit "intra-auriculaire" avec un élément à placer dans le conduit auditif, ne comportant donc pas de coussin entourant ou recouvrant l'oreille. Dans la suite, on fera principalement référence à des écouteurs de type "casque" avec un transducteur logé dans une coque entourant l'oreille (casque "circum-aural") ou en appui sur celle-ci (casque "supra-aural"), mais cet exemple ne doit pas être considéré comme limitatif, l'invention pouvant être aussi bien appliquée, comme on le comprendra, à des écouteurs intra-auriculaires.

[0006] Lorsque le casque est utilisé dans un environnement bruyant (métro, rue passante, train, avion, etc.) le porteur est partiellement protégé du bruit par les écouteurs du casque, qui l'isolent grâce à la coque fermée et au coussinet circumaural.

[0007] Toutefois, cette protection purement passive n'est que partielle, une partie des sons, notamment dans la partie basse du spectre de fréquences, pouvant être transmis jusqu'à l'oreille au travers de la coque des écouteurs, ou encore via la boite crânienne du porteur.

[0008] C'est pour cette raison qu'ont été développées des techniques dites de "contrôle actif de bruit" ou ANC (Active Noise Control), dont le principe consiste à capter la composante de bruit incidente et à superposer, temporellement et spatialement, à cette composante de bruit une onde acoustique qui est idéalement la copie inversée de l'onde de pression de la composante de bruit. Il s'agit de créer de cette manière une interférence destructive avec la composante de bruit et réduire, idéalement neutraliser, les variations de pression de l'onde acoustique parasite.

[0009] Le EP 2 597 889 A1 (Parrot) décrit un tel casque, muni d'un système ANC combinant des filtrages de type feedback, en boucle fermée, et feed-forward, en boucle ouverte. La voie de filtrage feedback se base sur un signal recueilli par un microphone disposé à l'intérieur de la cavité acoustique délimitée par la coque de l'écouteur, le coussinet circumaural et le transducteur. En d'autres termes, ce microphone est disposé à proximité de l'oreille de l'utilisateur, et reçoit principalement le signal produit par le transducteur et le signal de bruit résiduel, non neutralisé, encore perceptible dans la cavité avant. Le signal de ce microphone, duquel est soustrait le signal audio de la source musicale à reproduire par le transducteur, constitue un signal d'erreur pour la boucle de rétroaction du système ANC. La voie de filtrage feedforward utilise le signal capté par le microphone externe recueillant le bruit parasite régnant dans l'environnement immédiat du porteur du casque. Enfin, une troisième voie de filtrage traite le signal audio issu de la source musicale à reproduire. Les signaux de sortie des trois voies de filtrage sont combinés et appliqués au transducteur pour reproduire le signal de la source musicale associé à un signal de suppression du bruit environnant.

[0010] Le EP 2 518 724 A1 (Parrot) décrit un appareil du type micro/casque combinés, utilisable notamment pour des fonctions de téléphonie "mains libres". Le casque est pourvu d'un capteur physiologique appliqué contre la joue ou la tempe du porteur du casque et recueillant des vibrations vocales qui présentent la caractéristique d'être, par nature, très peu corrompues par le bruit environnant. Le capteur physiologique peut être en particulier un accéléromètre placé sur la face intérieure de la peau du coussinet de l'écouteur du casque, de manière à venir s'appliquer contre la joue ou la tempe de l'utilisateur avec un couplage le plus étroit possible. Le signal ainsi recueilli permet, après filtrage et combinaison avec des signaux captés par des microphones extérieurs conventionnels, de délivrer au système de communication un signal de parole du locuteur proche (le porteur du casque) dont l'intelligibilité aura été grandement améliorée. Un autre avantage de ce capteur est la possibilité d'utiliser le signal qu'il délivre pour calculer une fréquence de coupure d'un filtre dynamique.

[0011] Le WO 2010/129219 A1 (EP 2 425 421 A0) décrit un autre appareil, comprenant un système ANC de type adaptatif, c'est-à-dire utilisant des filtres dont la fonction de transfert est modifiée dynamiquement, en continu, par un algorithme d'analyse en temps réel du signal. Un microphone externe placé sur la coque des écouteurs du casque recueille les bruits ambiants, dont le niveau est analysé pour ajuster la fonction de transfert du filtre feedback de manière à s'adapter au bruit régnant dans l'environnement extérieur du casque.

[0012] Les systèmes ANC existants sont sujets à un phénomène apparaissant lorsque la cavité acoustique interne de l'écouteur subit des compressions et décompressions brusques, inaudibles mais dont l'amplitude est si importante que la membrane du microphone s'écrase brusquement et produit un signal électrique dépassant sa limite nominale.

[0013] Ce phénomène se produit notamment lors de la manipulation du casque, ou lorsque l'utilisateur marche lourdement ou court. Les mouvements du casque créent alors des surpressions et dépressions excessives dans la cavité avant, ce qui se traduit par un fort pic électrique dans les basses fréquences. Le signal excessif capté par le microphone crée dans le filtre ANC feedback une saturation conduisant à un signal audible ou "plop" produit en sortie par le transducteur et désagréable pour l'utilisateur.

[0014] Ce phénomène peut même apparaitre dans des conditions normales de marche, où des résonances de bruit de pas dans des basses fréquences au-dessous de 100 Hz se font entendre et sont parfois gênantes. Le filtre ANC feedback peut atténuer ces résonances de bruit de pas en amplifiant le signal du microphone interne mais, lorsque les pas deviennent plus forts, le niveau électrique du signal microphonique peut dépasser les limites de son fonctionnement normal et entrainer, ici encore, une saturation du filtre ANC et du transducteur.

[0015] Cette saturation peut intervenir à plusieurs endroits de la chaine de traitement du signal : dépassement électrique de la dynamique d'entrée du convertisseur analogique/numérique, dépassement de la valeur maximale numérique dans le processeur numérique de signal DSP, ou encore saturation en sortie si le signal reproduit par le transducteur dépasse la valeur maximale pouvant être produite par le convertisseur numérique/analogique, chacun de ces phénomènes pouvant provoquer un "plop" désagréable.

[0016] Le but de l'invention est de proposer une nouvelle technique de réduction de bruit ANC permettant de pallier ces phénomènes :

• en compensant les phénomènes pneumatiques de surpression/dépression dans la cavité acoustique de l'écouteur, notamment du fait des mouvements de pas de l'utilisateur du casque ;
• sans dégradation des performances antibruit du système ANC, c'est-à-dire que le bruit résiduel perçu par l'utilisateur sera toujours réduit au mieux, avec notamment i) une forte atténuation des basses fréquences et ii) une grande largeur de bande de fréquence de suppression ;
• le tout, sans que le signal audio issu de la source musicale (ou la voix du locuteur distant, dans une application de téléphonie) ne soit distordu, et sans que le spectre de ce signal ne soit amputé par le traitement ANC - bien que le signal de neutralisation du bruit et le signal audio à reproduire soient amplifiés par le même canal et reproduits par le même transducteur.

[0017] Un autre but de l'invention est de mettre en oeuvre une technologie numérique (et non analogique comme dans le EP 2 597 889 A1 précité) pour un tel système ANC, implémentable notamment au sein d'un processeur numérique de signal (DSP).

[0018] Pour atteindre ces buts, l'invention propose un casque audio tel que divulgué par le EP 2 518 724 A1 précité. Un tel casque comprend :

• deux écouteurs comportant chacun un transducteur de reproduction sonore d'un signal audio à reproduire, ce transducteur étant logé dans une cavité acoustique d'oreille ;
• au moins un microphone apte à délivrer un signal capté comportant une composante de bruit acoustique ;
• un capteur de mouvement monté sur au moins l'un des écouteurs et apte à délivrer un signal accélérométrique ; et
• un processeur numérique de signal, DSP, comprenant :

  des moyens de mixage, recevant en entrée un signal provenant du microphone ainsi que ledit signal audio à reproduire, et délivrant en sortie un signal apte à piloter le transducteur ; et

  des moyens de réduction de bruit, comprenant des moyens aptes à analyser concurremment i) le signal microphonique délivré par le microphone et ii) le signal accélérométrique délivré par le capteur de mouvement, et vérifier si des caractéristiques courantes de ces signaux microphonique et accélérométrique vérifient ou non une première batterie de critères prédéterminés.

[0019] De façon caractéristique de l'invention :

• le casque comprend un système de contrôle actif de bruit, ANC ;
• le microphone est un microphone ANC interne placé à l'intérieur de la cavité acoustique ;
• le DSP comprend :

  une branche feedback en boucle fermée comprenant un filtre ANC feedback apte à appliquer une fonction de transfert de filtrage au signal délivré par le microphone ANC interne ; et

  • lesdits moyens de mixage, qui reçoivent en entrée le signal délivré par la branche feedback en sortie du filtre ANC feedback ainsi que ledit signal audio à reproduire, et délivrent en sortie ledit signal apte à piloter le transducteur ; et

• le DSP comprend en outre des moyens de prévention des effets sur la branche feedback d'une saturation du signal délivré par le microphone interne, comprenant :
  • lesdits moyens aptes à analyser concurremment i) le signal microphonique délivré par le microphone et ii) le signal accélérométrique délivré par le capteur de mouvement, et vérifier si des caractéristiques courantes de ces signaux microphonique et accélérométrique vérifient ou non une première batterie de critères prédéterminés ; et
  • dans la branche feedback en amont du filtre ANC feedback, un filtre anti-saturation feedback sélectivement commutable en fonction du résultat de la vérification de la première batterie de critères.

[0020] Selon diverses caractéristiques subsidiaires avantageuses :

• le filtre anti-saturation feedback est l'un d'entre une pluralité de filtres préconfigurés sélectivement commutables, et le DSP comprend en outre des moyens aptes à sélectionner l'un des filtres anti-saturation préconfigurés en fonction du résultat de la vérification de la première batterie de critères ;
• le DSP comprend en outre : une branche d'égalisation, comprenant un filtre d'égalisation apte à appliquer une fonction de transfert d'égalisation au signal audio à reproduire avant application de celui-ci aux moyens de mixage ; et, dans la branche d'égalisation en amont du filtre d'égalisation, un filtre anti-saturation d'égalisation sélectivement commutable en même temps que le filtre anti-saturation feedback ;
• le filtre anti-saturation d'égalisation est l'un d'entre une pluralité de filtres préconfigurés d'égalisation sélectivement commutables, et le DSP comprend en outre des moyens aptes à sélectionner l'un des filtres préconfigurés d'égalisation en fonction du résultat de la vérification de la première batterie de critères ;
• les caractéristiques courantes du signal accélérométrique comprennent une valeur d'énergie du signal accélérométrique, et les critères prédéterminés comprennent un seuil auquel est comparée ladite valeur d'énergie. Il peut notamment s'agir de valeurs d'énergie dans une pluralité de bandes de fréquences respectives, les critères prédéterminés comprenant une série de seuils respectifs auxquels sont comparées ces valeurs d'énergie si la valeur d'énergie du signal accélérométrique dépasse le seuil ;
• le filtre ANC feedback est l'un d'entre une pluralité de filtres ANC feed-back préconfigurés, sélectivement commutables, et le DSP comprend en outre : des moyens d'analyse du signal délivré par le microphone interne, aptes à vérifier si des caractéristiques courantes du signal délivré par le microphone interne vérifient ou non une seconde batterie de critères prédéterminés ; et des moyens de sélection, aptes à sélectionner l'un des filtres ANC feedback préconfigurés en fonction du résultat de la vérification de la seconde batterie de critères ;
• le DSP comprend en outre une branche d'égalisation, comprenant un filtre d'égalisation apte à appliquer une fonction de transfert d'égalisation au signal audio à reproduire avant application de celui-ci aux moyens de mixage. Le filtre d'égalisation est l'un d'entre une pluralité de filtres d'égalisation préconfigurés, sélectivement commutables, et les moyens de sélection sont également aptes à sélectionner l'un des filtres d'égalisation préconfigurés, en fonction du filtre ANC feedback courant sélectionné.

[0021] On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables.

La Figure 1 illustre de façon générale un casque audio reposant sur la tête d'un utilisateur.

La Figure 2 est une représentation schématique montrant les différents signaux acoustiques et électriques ainsi que les divers blocs fonctionnels impliqués dans le fonctionnement d'un casque audio à contrôle actif de bruit.

La Figure 3 est une coupe en élévation de l'un des écouteurs du casque selon l'invention, montrant la configuration des divers éléments mécaniques et organes électromécaniques de celui-ci.

La Figure 4 illustre un exemple de forme d'onde typique du signal électrique délivré avant amplification par le microphone interne d'un casque ANC, lors de deux sauts par le porteur du casque.

La Figure 5 illustre de façon schématique, sous forme de blocs fonctionnels, la manière dont est réalisé le traitement de débruitage selon l'invention.

La Figure 6 illustre plus précisément les éléments mettant en oeuvre la fonction d'analyse du signal microphonique et de sélection des filtres à appliquer aux signaux à délivrer au transducteur du casque.

La Figure 7 est un organigramme décrivant le fonctionnement de la machine d'états de la fonction d'analyse et de sélection de la Figure 6.

La Figure 8 représente, en amplitude et en phase, les fonctions de transfert du filtre ANC avec et sans le filtrage anti-saturation selon l'invention, sélectionné de façon automatique en fonction des mouvements détectés.

La Figure 9 illustre des exemples d'atténuation obtenus dans les deux cas exemplifiés Figure 8.

[0022] Sur la Figure 1, on a représenté un casque audio posé sur la tête de son utilisateur. Ce casque comporte, de manière en elle-même classique, deux écouteurs 10, 10' réunis par un arceau de maintien 12. Chacun des écouteurs 10 comprend une coque extérieure 14 venant s'appliquer sur le contour de l'oreille de l'utilisateur, avec interposition entre la coque 14 et la périphérie de l'oreille d'un coussinet souple circumaural 16 destiné à assurer une étanchéité satisfaisante, du point de vue acoustique, entre la région de l'oreille et l'environnement sonore extérieur.

[0023] Comme on l'a indiqué en introduction, cet exemple de configuration de type "casque" avec un transducteur logé dans une coque entourant l'oreille ou en appui sur celle-ci ne doit pas être considéré comme limitatif, l'invention pouvant être aussi bien appliquée à des écouteurs intra-auriculaires comprenant un élément à placer dans le conduit auditif, donc des écouteurs dépourvus de coque et de coussin entourant ou recouvrant l'oreille.

[0024] La Figure 2 est une représentation schématique montrant les différents signaux acoustiques et électriques ainsi que les divers blocs fonctionnels impliqués dans le fonctionnement d'un casque audio à contrôle actif de bruit.

[0025] L'écouteur 10 enferme un transducteur de reproduction sonore 18, ci-après dénommé simplement "transducteur", porté par une cloison 20 définissant deux cavités, à savoir une cavité avant 22 du côté de l'oreille et une cavité arrière 24 du côté opposé.

[0026] La cavité avant 22 est définie par la cloison intérieure 20, la paroi 14 de l'écouteur, le coussinet 16 et la face externe de la tête de l'utilisateur dans la région de l'oreille. Cette cavité est une cavité fermée, à l'exception des inévitables fuites acoustiques dans la région de contact du coussinet 16. La cavité arrière 24 est une cavité fermée, à l'exception d'un évent acoustique 26 permettant d'obtenir un renforcement des fréquences basses dans la cavité avant 22 de l'écouteur.

[0027] Enfin, pour le contrôle actif du bruit, il est prévu un microphone interne 28 disposé au plus près du conduit auditif de l'oreille, pour capter le bruit résiduel présent dans la cavité interne 22, bruit qui sera perçu par l'utilisateur.

[0028] En faisant abstraction du signal audio de la source musicale reproduite par le transducteur (ou de la voix du locuteur distant, dans une application téléphonique), le signal acoustique capté par ce microphone interne 28 est une combinaison :

• du bruit résiduel 32 provenant de la transmission du bruit externe environnant 30 au travers de la coque 14 de l'écouteur, et
• d'une onde sonore 34 générée par le transducteur 18, qui est, idéalement selon le principe des interférences destructives, la copie inversée du bruit résiduel 32, c'est-à-dire du bruit à supprimer au point d'écoute.

[0029] La neutralisation du bruit par l'onde sonore 34 n'étant jamais parfaite, le microphone interne 28 recueille un signal résiduel qui est utilisé comme signal d'erreur e appliqué à une branche de filtrage feedback 36 en boucle fermée.

[0030] Éventuellement, un microphone externe 38 peut être placé sur la coque des écouteurs du casque, pour capter le bruit environnant à l'extérieur de l'écouteur, schématisé par l'onde 30. Le signal recueilli par ce microphone externe 38 est appliqué à un étage de filtrage feedforward 40 du système de contrôle actif du bruit. Les signaux issus de la branche feedback 36 et, si elle est présente, de la branche feedforward 40 sont combinés en 42 pour piloter le transducteur 18.

[0031] En outre, le transducteur 18 reçoit un signal audio à reproduire issu d'une source musicale (baladeur, radio, etc.), ou bien la voix du locuteur distant, dans une application de téléphonie. Comme ce signal subit les effets de la boucle fermée qui le distord, il devra être prétraité par une égalisation de manière à présenter la fonction de transfert désirée, déterminée par le gain de la boucle ouverte et la réponse cible sans contrôle actif.

[0032] Le casque peut éventuellement porter, comme illustré Figure 1, un autre microphone externe 44 destiné à des fonctions de communication, par exemple si le casque est pourvu de fonctions de téléphonie "mains libres". Ce microphone externe additionnel 44 est destiné à capter la voix du porteur du casque, il n'intervient pas dans le contrôle actif du bruit et, dans la suite, on ne considèrera comme microphone externe éventuellement utilisé par le système ANC que le microphone 38 dédié au contrôle actif du bruit.

[0033] La Figure 3 illustre, en coupe, un exemple de réalisation des différents éléments mécaniques et électroacoustiques représentés schématiquement sur la Figure 2 pour l'un des écouteurs 10 (l'autre écouteur 10' étant réalisé identiquement). On y retrouve la cloison 20 divisant l'intérieur de la coque 14 en une cavité avant 22 et une cavité arrière 24 avec, montés sur cette cloison, le transducteur 18 et le microphone interne 28 porté par une grille 48 maintenant celui-ci à proximité du conduit auditif de l'utilisateur.

[0034] Le but de l'invention est de pallier le phénomène, exposé en introduction, résultant des surpressions/dépressions brusques dans la cavité avant 22 qui sont susceptibles de produire, notamment dans les basses fréquences en dessous de 100 Hz, des dépassements extrêmes de la valeur du signal délivré par le microphone interne 28.

[0035] Ainsi, la Figure 4 illustre un exemple de signal délivré par le microphone interne 28, en l'espèce un microphone à électret qui délivre un signal ne dépassant pas 100 mV pour une pression acoustique de 110 dB SPL (Sound Pressure Leve/). Toutefois, comme illustré Figure 4, dans le cas de deux petits sauts successifs, on constate que cette valeur peut être très largement dépassée (dans l'exemple, elle atteint et dépasse 600 mV), ce qui peut produire après amplification des effets de saturation en plusieurs endroits de la chaine de traitement.

[0036] L'idée de base de l'invention est de détecter en amont du filtre feedback, avec un très faible temps de latence, les situations susceptibles de produire de tels pics de signal, afin d'éviter tous les phénomènes de saturation lors des mouvements brusques du casque, notamment pendant que l'utilisateur marche ou court.

[0037] La Figure 5 illustre de façon schématique, sous forme de blocs fonctionnels, le système de contrôle actif du bruit ANC incorporant, selon l'invention, une fonction anti-saturation permettant de compenser ce phénomène.

[0038] Il s'agit d'un système ANC de type numérique, mis en oeuvre par un processeur numérique de signal DSP 50. On notera que, bien que ces schémas soient présentés sous forme de circuits interconnectés, la mise en oeuvre des différentes fonctions est essentiellement logicielle, cette représentation n'étant qu'illustrative.

[0039] On retrouve la branche feedback dont le principe a été décrit plus haut en référence à la Figure 2, après numérisation au moyen d'un convertisseur ADC 52 du signal d'erreur e capté par le microphone interne 28. Le signal d'erreur numérisé est traité par un filtre feedback 54, puis converti en analogique par le DAC 56 afin d'être restitué par le transducteur 18 dans la cavité de l'écouteur 10. Le signal reproduit est éventuellement combiné à un signal de musique M qui, après égalisation en 58, est combiné en 60 au signal d'annulation du bruit pour conversion par le DAC 56 et reproduction par le transducteur 18.

[0040] Les filtrages opérés par les blocs 54 (fonction de transfert feedback H_FB2 sur le signal microphonique) et 58 (fonction de transfert H_EQ2 d'égalisation de la musique M) peuvent être réalisés notamment de la manière décrite dans la demande FR 14 53284 du 11.04.2014, au nom de la Demanderesse, intitulée "Casque audio à contrôle actif de bruit ANC avec réduction du souffle électrique", qui propose de mettre en oeuvre une pluralité de configurations de filtre prédéterminées, sélectivement commutables en fonction du signal capté par le microphone interne 28, de manière à optimiser le compromis entre l'atténuation plus ou moins forte du bruit ambiant et celle d'un souffle électrique également plus ou moins fort, en fonction du niveau et du contenu spectral du signal restitué à l'utilisateur, tel que recueilli par le microphone 28 placé dans la cavité avant 22 de l'écouteur.

[0041] Cette technique particulière de filtrage anti-souffle n'est cependant aucunement limitative, et le système anti-saturation selon l'invention s'applique aussi bien à des filtrages feedback et d'égalisation opérés par d'autres techniques.

[0042] Dans l'exemple illustré, le contrôle actif de bruit ANC est contrôlé par un module ANC 62 qui analyse le signal e et adapte en conséquence les fonctions de transfert H_FB2 de la branche feedback 54 et H_EQ2 de la branche d'égalisation 58 du signal de musique.

[0043] Plus précisément, le signal e capté par le microphone interne 28 (que l'on suppose identique au signal capté par l'oreille de l'utilisateur du casque) est (dans la configuration de la Figure 5) donné par :

B

étant le signal de bruit extérieur 30,

M

étant le signal de musique entrant,

H_ext

étant la fonction de transfert entre une source de bruit extérieure et le microphone interne 28,

H_FB2

étant la fonction de transfert du filtre feedback 54,

H_EQ2

étant la fonction de transfert du filtre d'égalisation 58, et

H_a

étant la fonction de transfert entre le transducteur 18 et le microphone interne 28.

[0044] De cette équation, on remarque qu'un signal de musique joué est soumis à une fonction de transfert :


de sorte que si le filtre H_FB2 de la branche ANC feedback 54 est modifié, la perception de la musique par l'utilisateur s'en trouve également modifiée. Pour que la perception de la musique reste la même, l'algorithme de contrôle ANC 62 modifie le filtre H_EQ2 de la branche 58 d'égalisation de la musique en même temps que celui de la branche ANC feedback 54 pour rééquilibrer les effets du filtrage, bien entendu si un signal de musique est présent.

[0045] De façon caractéristique de l'invention, conjointement au signal du microphone interne 28, le traitement de contrôle actif du bruit ANC fait intervenir un accéléromètre 64 monté sur le casque (Figures 2 et 5), dont le rôle sera de détecter avec une très faible latence les mouvements de l'écouteur susceptibles de produite des effets de saturation du signal capté par le microphone interne 28, typiquement des mouvements résultant des déplacements de l'utilisateur pendant que celui-ci marche, court, saute... ou encore lorsque celui-ci manipule les écouteurs, par exemple pour réajuster leur position sur ses oreilles.

[0046] Le EP 2 518 724 A1 (Parrot) décrit un casque comprenant un accéléromètre intégré à un écouteur, mais dans ce document l'accéléromètre est utilisé comme capteur physiologique pour recueillir des composantes vocales non acoustiques transmises par conduction osseuse, donc non bruitées, d'un signal de parole émis par l'utilisateur, par exemple dans le cas où le casque est utilisé comme dispositif "mains libres" en combinaison avec un téléphone portable. Dans le cas de la présente invention, ce même accéléromètre peut être utilisé, mais avec un rôle différent, à savoir l'amélioration de la fonction ANC du casque, dans une configuration d'écoute (reproduction sonore) et non de parole (voix de l'utilisateur).

[0047] Le signal de l'accéléromètre 64, après numérisation au moyen d'un convertisseur ADC 66, est appliqué à un module "anti-saturation" 68 qui reçoit également le signal e recueilli par le microphone interne 28, après numérisation par le convertisseur ADC 52.

[0048] Les deux signaux, d'accélération et microphonique, sont analysés conjointement par le module anti-saturation 68, qui commande un filtre 70 (fonction de transfert H_FB1) placé dans la branche feedback en amont du filtrage feedback proprement dit (bloc 54, fonction de transfert H_FB2), et de même un filtre d'égalisation 72 (fonction de transfert H_EQ1) placé dans la branche d'égalisation en amont du filtre d'égalisation (bloc 58, fonction de transfert H_EQ2).

[0049] Très avantageusement, mais de façon non limitative, il est possible de prévoir, pour les blocs 70 et 72 définissant respectivement les fonctions de transfert des branches feedback et d'égalisation, une pluralité de configurations de filtrage prédéterminées, sélectivement commutables, avec un mécanisme de bascule intelligente entre ces différents filtres en fonction des signaux captés conjointement par l'accéléromètre 64 et le microphone interne 28.

[0050] Le module anti-saturation 68, à partir de ces signaux, définit celui des X filtres du bloc 70 de la branche feedback qu'il convient de sélectionner et, de même, celui des Y filtres du bloc 72 de la branche d'égalisation du signal de musique qu'il convient de sélectionner (Y pouvant être égal à X, mais pas nécessairement).

[0051] La sélection entre les X filtres de la fonction de transfert H_FB1 du bloc 70 (ou des Y filtres de la fonction de transfert H_EQ1 du bloc 72) se fait de la manière suivante.

[0052] Pour chacun des filtres, on interpole ses paramètres (fréquence centrale f₀, facteur de qualité Q et gain G) et lors d'une transition les coefficients sont calculés par rapport à ces paramètres interpolés entre l'état initial et l'état final. Typiquement, il est possible d'utiliser un filtre à réponse impulsionnelle infinie (IIR), c'est-à-dire un type de filtre caractérisé par une réponse basée sur les valeurs du signal appliqué en entrée ainsi que les valeurs antérieures de la réponse que ce filtre a pu produire. On peut utiliser notamment un filtre IIR d'ordre 2, dit "biquad" dont la fonction de transfert donnant le signal de sortie y à l'instant n en fonction du signal d'entrée x aux instants n, n-1 et n-2 est donnée par :


les coefficients α₁, α₂, b₀, b₁ et b₂ de la fonction de transfert étant issus des paramètres f₀, Q et G du filtre.

[0053] La Figure 6 illustre plus précisément les éléments mis en oeuvre par le module anti-saturation 68 pour l'analyse du signal et la sélection des filtres des blocs 70 et 72.

[0054] Le signal e numérisé recueilli par le microphone interne 28 est soumis à une décomposition fréquentielle par une batterie de filtres 74 afin de calculer en 76 l'énergie Rms_i de ce signal e dans chacune de ses N composantes fréquentielles. Par exemple, Rms₁ peut être la puissance du signal microphone en dessous de 100 Hz, Rms₂ la puissance du signal autour de 800 Hz, etc. ce qui permet via l'analyse spectrale de distinguer diverses situations significatives : par exemple, pour une utilisation du casque dans un environnement bruyant de type transport (avion, train), le rapport entre basses et hautes fréquences est bien plus important que dans un environnement plus calme tel que dans un bureau.

[0055] Les valeurs obtenues Rms₁, Rms₂ ... Rms_N sont appliquées à une machine d'états 78, qui compare ces valeurs d'énergie à des seuils respectifs et détermine en fonction de ces comparaisons celui des X filtres du bloc 70 de la branche feedback et le cas échéant (si de la musique est présente) celui des Y filtres du bloc 72 de la branche d'égalisation qui doit être sélectionné.

[0056] La Figure 7 illustre plus précisément la manière dont opère cette machine d'états 78.

[0057] La puissance RMS_acc du signal de l'accéléromètre présent sur le casque est, éventuellement après préfiltrage, analysée en permanence. Si cette puissance dépasse un seuil prédéterminé Seuil_a (test 80) alors la machine d'états considère que le casque subit un mouvement susceptible d'entrainer une saturation du contrôle ANC et déclenche un processus de contrôle anti-saturation, correspondant à la partie gauche de l'algorithme de la Figure 7.

[0058] Sur cet algorithme, les paramètres Activité et Atténuation sont des variables booléennes, tandis que les paramètres Timer₁ et Timer₂ sont des valeurs de comptage d'une temporisation qui est remise à zéro par une action "Timer = 0", la notation "Timer++" indiquant que l'algorithme laisse se poursuivre le déroulement de la temporisation.

[0059] En présence d'une accélération dépassant le seuil prescrit, la machine d'états analyse le signal du microphone interne 28. Si la puissance RMS₁ (puissance du signal microphonique dans une certaine plage de fréquences) dépasse un seuil prédéterminé Seuil_1 (test 82), alors la machine d'états modifie la fonction de transfert H_FB1 de la branche feedback, par exemple en sélectionnant l'un des X filtres qui a pour effet de diminuer l'atténuation ANC dans les basses fréquences, et modifie également la fonction de transfert H_EQ1 de la branche d'égalisation pour garder la même perception de la musique (bloc 84).

[0060] Dans le cas contraire, la puissance RMS₂ du signal microphonique dans une autre bande de fréquence est testée de la même façon (bloc 82') par rapport à un second seuil Seuil_2 (avec Seuil_2 < Seuil_1). Si RMS₂ > Seuil_2, alors on applique également une modification des fonctions de transfert H_FB1 et H_EQ1 (bloc 84'), typiquement avec une atténuation de l'ANC feedback présente, mais moins importante que dans le cas précédent. On peut ainsi tester un certain nombre de seuils successifs (test 82") de façon itérative avec des seuils progressivement plus bas, de manière à choisir, parmi les X filtres sélectionnables de la branche feedback H_FB1, celui qui optimisera le compromis entre l'atténuation du contrôle ANC et la protection contre la saturation de celui-ci (bloc 84").

[0061] Si dans toutes les bandes la puissance du signal du microphone interne 28 est inférieure au seuil le plus bas, on considère qu'il n'y a pas de risque de saturation et, après expiration d'une temporisation de X2 secondes (test 86) la machine d'états désactive les modules anti-saturation 70 et 72 (bloc 88).

[0062] Dans l'hypothèse où, au test 80, l'analyse du signal de l'accéléromètre indique que celui-ci ne dépasse pas le seuil prescrit, si le traitement anti-saturation était actif (test 90), alors à l'expiration d'une temporisation de X1 secondes (test 92), ce contrôle est désactivé automatiquement par la machine d'états (bloc 94).

[0063] Le fait de désactiver le contrôle anti-saturation et de ne le "réveiller" qu'aux moments opportuns offre l'avantage d'une économie importante sur la consommation électrique du DSP 50, augmentant ainsi l'autonomie du casque.

[0064] Les Figures 8 et 9 illustrent deux exemples de fonctions de transfert H_FB1 appliquées sur la branche feedback du contrôle ANC, sans (A) et avec (B) modification par le module anti-saturation 68 : la Figure 8 représente, en amplitude et en phase, la fonction de transfert H_FB1 dans ces deux cas, tandis que la Figure 9 illustre les atténuations correspondantes obtenues. On constate que la détection d'une accélération déclenche une atténuation du gain de la branche ANC feedback de l'ordre de 12 à 15 dB à 40 Hz entre la courbe A (sans contrôle anti-saturation) et la courbe B (avec contrôle anti-saturation). La modification est essentiellement opérée dans les basses fréquences, au-dessous de 150 Hz, car c'est dans cette plage de fréquences que se situent les résonances de bruits de pas, etc. habituellement rencontrées en pratique. Le contrôle anti-saturation diminue, certes, les performances d'atténuation du contrôle ANC mais, en contrepartie, évite la production d'un "plop" très désagréable en sortie par le transducteur du fait de la saturation de la branche de contrôle ANC feed-back.

Revendications

1. Un casque audio, comprenant :

- deux écouteurs (10) comportant chacun un transducteur (18) de reproduction sonore d'un signal audio à reproduire, ce transducteur étant logé dans une cavité acoustique d'oreille (22) ;

- au moins un microphone apte à délivrer un signal capté comportant une composante de bruit acoustique ;

- un capteur de mouvement (64) monté sur au moins l'un des écouteurs et apte à délivrer un signal accélérométrique ; et

- un processeur numérique de signal, DSP, (50) comprenant :

des moyens de mixage (46), recevant en entrée un signal provenant du microphone ainsi que ledit signal audio à reproduire (S), et délivrant en sortie un signal apte à piloter le transducteur (18) ; et

des moyens de réduction de bruit, comprenant des moyens (68) aptes à analyser concurremment i) le signal microphonique délivré par le microphone et ii) le signal accélérométrique délivré par le capteur de mouvement (64), et vérifier si des caractéristiques courantes de ces signaux microphonique et accélérométrique vérifient ou non une première batterie de critères prédéterminés,

caractérisé en ce que :

- le casque comprend un système de contrôle actif de bruit, ANC ;

- le microphone est un microphone ANC interne (28) placé à l'intérieur de la cavité acoustique (22) ;

- le DSP (50) comprend :

une branche feedback en boucle fermée (36) comprenant un filtre ANC feedback (54) apte à appliquer une fonction de transfert de filtrage (H_FB) au signal délivré par le microphone ANC interne (28) ; et

• lesdits moyens de mixage (46), qui reçoivent en entrée le signal délivré par la branche feedback en sortie du filtre ANC feedback (54) ainsi que ledit signal audio à reproduire (S), et délivrent en sortie ledit signal apte à piloter le transducteur (18) ; et

- le DSP comprend en outre des moyens de prévention des effets sur la branche feedback d'une saturation du signal délivré par le microphone interne (28), comprenant :

• lesdits moyens (68) aptes à analyser concurremment i) le signal microphonique délivré par le microphone (28) et ii) le signal accélérométrique délivré par le capteur de mouvement (64), et vérifier si des caractéristiques courantes de ces signaux microphonique et accélérométrique vérifient ou non une première batterie de critères prédéterminés ; et

• dans la branche feedback en amont du filtre ANC feedback (54), un filtre anti-saturation feedback (70) sélectivement commutable en fonction du résultat de la vérification de la première batterie de critères.

2. Le casque audio de la revendication 1, dans lequel :

- le filtre anti-saturation feedback (70) est l'un d'entre une pluralité de filtres préconfigurés sélectivement commutables ; et

- le DSP (50) comprend en outre :

des moyens (68) aptes à sélectionner l'un des filtres anti-saturation préconfigurés en fonction du résultat de la vérification de la première batterie de critères.

3. Le casque audio de la revendication 1, dans lequel :

- le DSP (50) comprend en outre :

une branche d'égalisation, comprenant un filtre d'égalisation (58) apte à appliquer une fonction de transfert d'égalisation (H_EQ) au signal audio à reproduire (M) avant application de celui-ci aux moyens de mixage (60) ; et

dans la branche d'égalisation en amont du filtre d'égalisation (58), un filtre anti-saturation d'égalisation (72) sélectivement commutable en même temps que le filtre anti-saturation feedback (70).

4. Le casque audio de la revendication 1, dans lequel :

- le filtre anti-saturation d'égalisation (72) est l'un d'entre une pluralité de filtres préconfigurés d'égalisation sélectivement commutables ; et

- le DSP (50) comprend en outre :

• des moyens (68) aptes à sélectionner l'un des filtres préconfigurés d'égalisation en fonction du résultat de la vérification de la première batterie de critères.

5. Le casque audio de la revendication 1, dans lequel les caractéristiques courantes du signal accélérométrique comprennent une valeur d'énergie (Rms_acc) du signal accélérométrique, et les critères prédéterminés comprennent un seuil (Seuil_a) auquel est comparée ladite valeur d'énergie.

6. Le casque audio de la revendication 5, dans lequel les caractéristiques courantes du signal microphonique comprennent des valeurs d'énergie (Rms1, Rms2 ...) du signal microphonique dans une pluralité de bandes de fréquences respectives (Filtre1, Filtre2 ...), et les critères prédéterminés comprennent une série de seuils respectifs (Seuil1, Seuil2 ... SeuilN) auxquels sont comparées lesdites valeurs d'énergie du signal microphonique si la valeur d'énergie (Rms_acc) du signal accélérométrique dépasse ledit seuil (Seuil_a).

7. Le casque audio de la revendication 1, dans lequel :

- le filtre ANC feedback (54) est l'un d'entre une pluralité de filtres ANC feedback préconfigurés, sélectivement commutables ; et

- le DSP (50) comprend en outre :

des moyens (62) d'analyse du signal délivré par le microphone interne, aptes à vérifier si des caractéristiques courantes du signal délivré par le microphone interne vérifient ou non une seconde batterie de critères prédéterminés ; et

des moyens de sélection (62), aptes à sélectionner l'un des filtres ANC feedback préconfigurés en fonction du résultat de la vérification de la seconde batterie de critères.

8. Le casque audio de la revendication 7, dans lequel :

- le DSP (50) comprend en outre :

• une branche d'égalisation, comprenant un filtre d'égalisation (58) apte à appliquer une fonction de transfert d'égalisation (H_EQ) au signal audio à reproduire (M) avant application de celui-ci aux moyens de mixage (60) ;

- le filtre d'égalisation (58) est l'un d'entre une pluralité de filtres d'égalisation préconfigurés, sélectivement commutables ; et

- les moyens de sélection (62) sont également aptes à sélectionner l'un des filtres d'égalisation préconfigurés, en fonction du filtre ANC feedback courant sélectionné.

Dessins