5.8 Comment mesurer une enceinte ?


Sommaire

5.8.1 Quels outils pour les mesures ?
5.8.2 Comment mesurer la réponse en fréquence et la phase d'un haut-parleur ?


5.8.1 QUELS OUTILS POUR LES MESURES ?


Le préalable à la mesure acoustique est le test de sa carte son avec, par exemple, Sound Card analyser :
http://www.cnetfrance.fr/telecharger/en/sound-card-analyzer-21001129s.htm
Voici le résultat avec une Sound Blaster Live!

Un autre utilitaire classique pour mesurer les caractéristiques d'une carte son est
http://audio.rightmark.org/download.shtml


La capsule MCE-2000, du fait de son bon rapport qualité/prix, est souvent utilisée pour les mesures audio.
Rod Elliott conseille de monter la capsule au bout d'un tube d'environ 12,5cm de long (afin d'éviter des diffractions dans les hautes fréquneces sur le boitier) et une alimentation de polarisation de 9v :
http://sound.westhost.com/project93.htm
On retrouve cette tension, avec une résistance de polarisation plus basse 10k -> 2,2k, dans le montage utilisé par l'association Mélaudia
http://www.melaudia.net/stationMesure.php
Thierry Prévost a remarqué un taux de distorsion assez fort contrairement aux mesures réalisées avec le Neumann KM84:
http://jipihorn.free.fr/Enceintes_Thierry_Mesures.htm

Rappelons que ces capsules Electret nécessitent une alimentation phantom :
http://www.sonelec-musique.com/electronique_bases_alim_micro_electret.html

Un micro de mesure avec une capsule voisine (identique ?) est le IBF-EMM8 :
http://www.acousticsshop.isemcon.com/product_info.php?cPath=21_22&products_id=28

La réponse en fréquence du micro IBF-EMM8 est typique d'un electret avec un pic d'environ +3,2 dB à 17 kHz:
On retrouve cette forme de courbe de réponse dans le microphone livré avec le TacT
ou avec le Behringer ECM8000
Par contre, le microphone M30BX, choisi ici pour les mesures, se distingue clairement par une excellente linéarité de la réponse en fréquence :
de même pour le microphone Mic-01 utilisé sur le système de mesure Clio :
http://www.audiomatica.com/download/frequencycal.pdf

Une comparaison de microphones de mesure est disponible ici :
http://www.realtraps.com/art_microphones.htm





5.8.2 COMMENT MESURER LA RÉPONSE EN FRÉQUENCE ET LA PHASE D'UN HAUT-PARLEUR ?


Pour obtenir la réponse en fréquence d'une enceinte, une première méthode consiste à utiliser le bruit rose et à faire une analyse 1/6 d'octave.
Les logiciels adaptés sont SpectraLAB (le copier/coller des valeurs sur Excel est facile)
:
http://www.soundtechnology.com/download-center.htm
SIA SmaartLive (utilisé par JBL) :
http://www.rationalacoustics.com/files/live5book1final.pdf
ou TrueRTA :
http://www.trueaudio.com/

La réponse impulsionnelle peut être obtenue avec Cool Edit (maintenant Adobe Audition) avec le plugin Aurora.
La méthode du Sine Sweep a été développée par la société Ramsete :

http://www.aurora-plugins.com/Aurora_XP/index.htm
La comparaison avec d'autres méthodes de mesure (MLS,...) montre que c'est actuellement la meilleure méthode : insensibilité au bruit ambiant, isolation de la distorsion, pas d'excitation des résonances et énergie suffisante pour obtenir des mesures valables :
http://www.four-audio.com/data/MF/aes-swp-english.pdf

La mise en œuvre pratique, mise à jour en janvier 2007, avec le calcul des spectres de distorsion, est détaillée ici :
Aurora_for_dummies_vol2.zip

Nous allons comparer les résultats d'un logiciel plus récent, ici la version 1,61 de Arta, avec cette méthode de "grand papa" qui utilise Adobe Audition, Excel et Frequency Response Combiner.

1. Réponse en fréquence
 
Le mode opératoire
- lecture de la réponse impulsionnelle (ici le fichier Discov000_00°16bits.wav de Forr du forum Audax) dans Adobe Audition
- calcul de la réponse en fréquence sur 4096 samples
- importation du résultat dans Excel et lissage (1/6 octave) par une macro Excel.




Avec Arta, il faut choisir le début de la plage à analyser.
C'est le marqueur jaune (click gauche) généralement placé juste avant le début de l'impulsion principale
La fin de la zone à analyser est définie par le marqueur rouge (click droit) et est généralement placé juste avant la première réflexion.
Ici il a été choisi, comme ci-dessus, une plage de 4096 échantillons.



Le menu "Analysis/Single-gated smouthed Frequency response" affiche la fenêtre "Smoothed frequency response" qui donne dans un premier temps la réponse en fréquence.
Celle-ci est ici lissée au 1/6 d'octave.




2. Réponse de la phase

Adobe Audition donnant le module de la réponse en fréquence mais pas la phase :
- lecture de la réponse impulsionnelle (fichier Discov000_00°16bits.wav) dans Adobe Audition
- exportation de la réponse impulsionnelle au format texte
- importation de la réponse impulsionnelle dans Excel
- FFT de la réponse impulsionnelle par une macro Excel
- calcul de la phase avec la fonction ATAN2 de Excel
On observe de nombreux sauts dans la réponse en phase qui correspondent à la transition -180° -> +180° :




Avec Arta, le bouton "Ph" affiche la phase :



3. Réponse de la phase dépliée

Pour déplier la phase, il faut ajouter -360° à chaque transition -180° -> +180°.
Avec une échelle linéaire pour la fréquence (et non log) on observe que la phase est proportionnelle à la fréquence dans le domaine 700-3000 Hz.
Ceci est caractéristique d'un retard pur, ici environ 0,42 ms :




La phase d'un retard pur T est phi = -2*Pi*Fréquence*T ou phi = -360*Fréquence*T si la phase est exprimée en °
La phase est donc proportionnelle à la fréquence, c'est la droite en rose ci-dessus.

En prenant, par exemple, le point 3000Hz , -450° de cette droite, on peut déduire un retard de T = -phi/360/Fréquence = 450/360/3000 = 0,42 ms.

Avec Arta, la même fenêtre "Smoothed frequency response" avec le menu "View\Unwrap Phase" donne la phase dépliée :



4. Réponse de la phase compensée

Il s'agit d'enlever l'influence de ce retard à la réponse de la phase.
La réponse de la phase compensée ainsi obtenue représente le comportement du haut-parleur :



5. Extraction de la phase minimale

A partir de la réponse en fréquence obtenue par Adobe Audition puis lissée dans Excel :
- passage à une échelle log pour les fréquences avec une macro Excel
- export depuis Excel de la réponse en fréquence au format .frd
- lecture du .frd dans Frequency Response Combiner
- extraction de la phase minimale
- enregistrement du .frd avec la phase minimale
- import dans Excel afin d'afficher la phase minimale
On constatera un résultat peu différent du précédent.



Dit autrement, il est raisonnable de faire l'hypothèse qu'un haut-parleur se comporte comme un composant à phase minimale.

Avec Arta, le menu "View\Minimum phase" donne la réponse la phase propre au haut-parleur.
Cette phase est à peu près nulle dans la plage 300-1500 Hz :



Cette phase minimale est calculée (par Arta ou Frequency Response Combiner) par application de la transformée de Hilbert à la réponse en fréquence.

Un premier moyen d'estimer le retard pur consiste à déduire celui-ci de la réponse de la phase pour une fréquence donnant une phase minimale nulle.
Par exemple pour 1000 Hz, la phase minimale est nulle et la phase est de -130°.
Nous en déduisons un retard de T = 130/360/1000 = 0,36 ms.


Un deuxième moyen d'estimer le retard pur est le menu "View\Groupe delay" en sélectionnant "Excess groupe delay".
Dans le domaine des hautes fréquences (domaine dans lequel la phase propre au haut-parleur a peu d'impact) , on constate un retard d'environ 0,365 ms :



Le retard pur ainsi trouvé (ici environ 0,365 ms avec Arta) dépend directement de l'emplacement du marqueur de début de la zone à analyser (marqueur jaune) par rapport à l'impulsion principale.
Dit autrement, ce délai n'a rien à voir avec celui déduit de la distance microphone - haut-parleur.
A titre d'illustration, en avançant un peu le marqueur jaune et en gardant la même longueur de la zone analyser. :



Le retard pur passe à environ 0,75 ms :


Sans surprise, on constatera que le fait d'avancer le début de la zone analysée de 0,39 ms (2,167-1,776) se traduit par une augmentation du retard pur de 0,39 ms (0,75-0,36).

Le "Delay for phase estimation" est donc la durée entre le début de la zone à analyser et le maxima de l'impulsion principale.

La position du curseur jaune a donc un effet majeur sur l'"Excess phase" (conséquence du retard introduit en avançant le début de la zone à analyser par rapport à l'impulsion principale).

Par contre la "Minimum phase" qui représente la phase propre au haut-parleur est peu dépendante de la position du curseur jaune.

En introduisant ce retard dans l'écran principal d'Arta à "Delay for phase estimation", le calcul classique de la phase redonne la phase minimale calculée précédemment avec un "Delay for phase estimation" nulle.



Références :
http://www.audax.fr/forum/read.php?4,22374,22658#msg-22658
http://www.audax.fr/forum/read.php?4,22374,page=3




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