Ajustement de l’´energie totale (´egalisation)

Consid´erons le syst`eme r´everb´erateur `a plaque, qui a comme entr´ee et sortie les signaux ´electriques d’alimentation de l’excitateur ´electrodynamique et de l’acc´el´erom`etre coll´e sur la plaque. La simulation num´erique calcule la r´eponse en acc´el´eration d’une plaque soumise `a une impulsion de force et ne prend pas en compte l’´egalisation produite par l’entr´ee et la sortie. N´eanmoins, la prise en compte de ces effets est n´ecessaire pour obtenir des RI comparables aux mesures faites sur le r´everb´erateur EMT140. En particulier, la diff´erence per¸cue `a l’´ecoute selon que l’on prend en compte ou non l’´egalisation est tr`es importante.

On appelle hm(n) la RI obtenue par les mesures et hs(n) celle obtenue avec les simulations par DF. Apr`es l’ajustement de l’amortissement de hs(n), la d´ecroissance ´energ´etique de la RI mesur´ee et de la RI simul´ee est la mˆeme. La premi`ere ´etape du processus consiste `a d´efinir la sp´ecification du filtre d’´egalisation. Elle est obtenue comme le rapport, dans le domaine des fr´equences, entre l’´energie totale de la RI mesur´ee sur celle simul´ee E[Hm(ω)] et E[Hs(ω)]. Le p´eriodogramme de Welch I_h(ω) fournit l’estimation de l’´energie de chaque signal. La longueur des transform´ees

Nf qu’on moyenne pour obtenir Ih(ω) d´epend de la r´esolution en fr´equence souhait´ee, donn´ee par ∆f = F s/Nf. Pour un ´echantillonnage `a F s = 48000 Hz, le choix Nf = 512 donne une

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 −1 −0.5 0 0.5 1 t [s] x [u.a.] (a) t ∈ (0, 3) s 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 −0.5 0 0.5 t [s] x [u.a.] (b) t ∈ (0, 0.01) s 0 0.5 1 1.5 2 x 10−3 −0.5 0 0.5 t [s] x [u.a.] (c) t ∈ (0, 0.002) s

Fig. 4.20: Comparaison de l’´evolution temporelle de la simulation du EMT140 avant (—) et apr`es (- - -) l’ajustement de l’amortissement. D´etail sur les premiers 3 s (a), 10 ms (b) et 2 ms (c). Le comportement global (a) montre l’augmentation de l’amortissement produite par le traitement. Dans les d´etails (b) et (c), on peut observer la modification de l’amplitude faite sur le signal.

valeur de ∆f est du mˆeme ordre de grandeur que l’intervalle plus petit de l’´echelle de Bark [8]. La sp´ecification du filtre `a construire est HEF(ω) = (Ihm(ω)/Ihs(ω))1/2, o`u Ihm et Ihs sont respectivement les p´eriodogrammes de Welch des r´eponses mesur´ee h_m et simul´ee h_s. La Figure

0 5 10 15 20 −60 −50 −40 −30 −20 f [kHz] I mes , I sim [dB] (a) 0 5 10 15 20 −20 0 20 40 60 f [kHz] H sp [dB] (b)

Fig. 4.21: (a) : p´eriodogrammes de Welch de la RI mesur´ee (—) et de la RI simul´ee (- - -) du r´everb´erateur EMT140 qui interviennent dans le calcul de la sp´ecification du filtre d’´egalisation, qui est donn´ee par (b).

4.21 montre l’estimation d’´energie pour la RI mesur´ee et la RI simul´ee, ainsi que la sp´ecification d’amplitude du filtre d’´egalisation obtenue. L’´egalisation consiste en une augmentation d’´energie en basses fr´equences, dont l’origine physique est l’excitateur ´electrodynamique.

Afin de ne pas introduire de distorsions dans la phase de la RI, on souhaite en r´ealiser l’´egalisation avec des filtres `a phase lin´eaire. Ce type de filtres est souvent utilis´e quand on veut modifier l’amplitude du spectre d’un signal tout en pr´eservant le plus possible la forme d’onde dans le domaine temporel [80]. La r´eponse impulsionnelle d’un tel filtre est f inie (filtre RIF) et sym´etrique. On rappelle que la r´eponse impulsionnelle d’un filtre causal r´ecursif (`a r´eponse

impulsionnelle infinie, RII) ne peut pas ˆetre sym´etrique.

La r´eponse en fr´equence d’un filtre `a phase lin´eaire H(ejω_{) peut s’´ecrire comme :}

H(ejω) = G(ejω)e−jαω. (4.41)

Le retard de phase τp(ω) et le retard de groupe τg(ω) de ce filtre est :

τp(ω) = φ[H(e jω_)]

ω = α,

τg(ω) = _dωd φ[H(ejω)] = _dωd (αω) = α,

(4.42)

τp et τg sont ind´ependants de la fr´equence, ce qui permet d’assurer que le filtrage d’un signal avec ce filtre n’introduit pas de distorsion sur la phase du signal initial. Pour la synth`ese du filtre on construit le spectre sym´etrique r´eel ˜H<sub>s</sub>(ω) `a partir d’une sp´ecification H_EF(ω) d´efinie dans l’intervalle ω ∈ [−F s/2; F s/2). La r´eponse impulsionnelle h(n) du filtre est obtenue alors par transform´ee de Fourier Inverse de ˜Hs(ω). La structure de h(n) obtenue doit ˆetre de la forme :

h(0) = h0,

h(n) = h(−n), n ∈ [1, N_f/2 − 1], (4.43)

En raison de la sym´etrie de la transform´ee de Fourier, les signaux r´eels pairs ont des transform´ees de Fourier paires et r´eelles. h(n) est donc sym´etrique et paire, et correspond `a un filtre `a phase nulle. Il s’agit d’un filtre non causal, car sa r´eponse impulsionnelle h(n) est non nulle pour n < 0. En retardant h(n) de (N f − 1)/2 ´echantillons, le filtre devient causal. Puisqu’un retard de N ´echantillons dans le domaine temporel correspond `a une multiplication par ejωN <sub>de la r´eponse</sub> en fr´equence, la phase de la r´eponse en fr´equence du filtre n’est plus nulle mais lin´eaire en ω, ce qui montre pourquoi ce type de filtres est d´enomm´e `a phase lin´eaire. Sa r´eponse impulsionnelle est de la forme :

h(0),

h(n) = h(N_f − 1 − n), n ∈ [1, N f /2 − 1]. (4.44)

L’´egalisation de la RI avec ce filtre introduit un retard pur de N_f/2 ´echantillons. Il suffit alors

de corriger ce retard par d´ecalage temporel de la RI ´egalis´ee.

4.5

Conclusion

Ce chapitre donne les outils permettant la simulation physique d’un r´everb´erateur `a plaque `a partir de la mod´elisation d´ecrite au chapitre 2. La r´esolution de l’´equation des ondes de flexion des plaques par la m´ethode des diff´erences finies (DF) s’inspire des travaux de th`ese de Lam- bourg [48]. On a pr´esent´e une synth`ese de l’application de cette m´ethode aux plaques isotropes, en particulier les op´erateurs aux diff´erences intervenant dans l’´equation discr´etis´ee, la condition de stabilit´e et la dispersion num´erique des sch´emas. La prise en compte des amortissements dans les algorithmes des DF `a partir du formalisme de la visco´elasticit´e a aussi ´et´e d´etaill´ee.

L’application de cette m´ethode `a la simulation d’un r´everb´erateur `a plaque pr´esente quelques particularit´es. On a montr´e que la densit´e modale du mod`ele num´erique n’est pas la mˆeme que celle du mod`ele continu sauf en tr`es basses fr´equences. Le comportement du mod`ele num´erique

par rapport au mod`ele continu a ´et´e ´etudi´e avec le cas simple de la plaque non amortie appuy´ee simplement sur ses bords et soumise `a une impulsion. Dans ce cas, l’admittance m´ecanique au point d’excitation a un comportement similaire `a celui de la densit´e modale, ce qui est en accord avec la relation entre admittance et densit´e modale pr´esent´ee au chapitre 3. Pour garantir une densit´e modale et un spectre de la simulation tr`es proches de ceux du mod`ele continu jusqu’`a

f = 20 kHz, il faut faire des simulations ´echantillonn´ees `a F s = 192 kHz.

D’autre part, l’obtention du d´eplacement `a n’importe quel point de la plaque par interpolation des d´eplacements aux 4 points de la grille les plus proches est ´equivalent `a un filtrage, qui se traduit par une forte diminution de l’´energie en hautes fr´equences. Cette interpolation est donc `a ´eviter.

En raison de sa grande densit´e modale, la simulation du mod`ele physique d’un r´everb´erateur `a plaque est tr`es gourmande en temps de calcul, car le nombre de degr´es de libert´e du syst`eme est tr`es ´elev´e (de l’ordre de 50000 dans le domaine audible). Si, de plus, on y ajoute des mod`eles d’amortissement bas´es sur des s´eries de puissances de la d´eriv´ee temporelle, les coˆuts de calculs deviennent tr`es vite prohibitifs. Pour cette raison la synth`ese sonore qu’on propose est limit´ee `a la synth`ese de la RI, qui peut ˆetre ensuite utilis´ee pour appliquer l’effet `a n’importe quel signal par convolution. Pour la convolution on peut profiter de l’optimisation des calculs de la transform´ee de Fourier rapide (FFT).

L’erreur introduite par les DF sur la valeur de l’amortissement en fonction de la fr´equence, ainsi que le coˆut de calcul tr`es ´elev´e des mod`eles d’amortissement issus de [48], sugg`erent la re- cherche d’une alternative pour tenir compte de l’amortissement des vibrations du r´everb´erateur `a plaque. Une m´ethodologie de post-traitement des RI obtenues par DF permet de modifier l’amor- tissement par bandes de fr´equences et ses capacit´es ont ´et´e analys´ees `a partir de cas simples. Mˆeme si les modifications introduites par cette m´ethode restent approch´ees, elles suffisent pour modifier la d´ecroissance par bandes de fr´equences de la RI simul´ee. Le coˆut de calcul de cette m´ethode est n´egligeable par rapport `a celle de la synth`ese par DF, et en particulier il est beau- coup plus faible que le coˆut qui r´esulte de l’ajout des mod`eles d’amortissement dans l’algorithme des DF. De plus, l’amortissement de chaque bande de fr´equences est fix´e avec pr´ecision, sans le d´ecalage des amortissements observ´e lors de l’introduction des mod`eles d’amortissement dans les DF. Ce post-traitement permet alors d’imposer les sp´ecifications d’amortissement donn´ees par les mod`eles physiques d’amortissement d´ecrits au chapitre 2, mais aussi d’ajuster l’amortissement des synth`eses `a l’amortissement observ´e exp´erimentalement.

Pour tenir compte de l’´egalisation de l’´energie due `a l’actionneur et au capteur du r´everb´erateur EMT140, la m´ethode d’´egalisation de l’´energie de la RI a ´et´e pr´esent´ee. Cette ´egalisation est faite `a l’aide d’un filtre `a phase lin´eaire afin de pr´eserver au mieux la structure temporelle du signal original tout en modifiant l’amplitude de son spectre.

Pour le r´everb´erateur EMT140, les Figures 4.22 et 4.23 montrent le relief de d´ecroissance de la RI mesur´ee et simul´ee respectivement. La simulation a ´et´e r´ealis´e avec la m´ethodologie d´etaill´e dans ce chapitre. On peut observer que ces deux reliefs de d´ecroissance sont identiques. De plus, `a l’´ecoute aucune diff´erence est per¸cue entre la mesure et la simulation. On peut conclure que la m´ethodologie de synth`ese a r´eussie `a simuler un dispositif mesur´e. L’outil de synth`ese sonore peut donc ˆetre exploit´ee pour la simulation de r´everb´erateurs avec des jeux de param`etres diff´erents. Ceci est l’objet du chapitre 6.

Fig. 4.22: Relief de d´ecroissance de la r´eponses impulsionnelle mesur´ee du r´everb´erateur EMT140 avec la plaque poreuse `a une distance d = 65.8 mm de la plaque vibrante.

Fig. 4.23: Relief de d´ecroissance de la r´eponses impulsionnelle simul´ee pour la mˆeme configuration de la Figure 4.22.

Comparaison avec l’acoustique des

salles

5.1

Introduction

L’objectif de ce chapitre est de comparer les propri´et´es de la r´everb´eration `a plaque et celles de la r´everb´eration acoustique naturelle. La r´everb´eration `a plaque est bas´ee sur la propagation d’ondes ´elastiques de d´eplacement dans un milieu `a deux dimensions. La r´everb´eration acoustique naturelle est un ph´enom`ene produit par la propagation des ondes de pression acoustique dans un milieu fluide `a trois dimensions. Les diff´erences entre ces deux ph´enom`enes sont dues `a la nature des ondes et `a leurs milieux de propagation respectifs. L’identification de leurs similitudes aide `a comprendre pourquoi la r´everb´eration `a plaque a ´et´e largement utilis´ee pour simuler l’effet de salle, tandis que les diff´erences aident `a expliquer en quoi un r´everb´erateur `a plaque poss`ede une identit´e sonore caract´eristique.

Premi`erement, on pr´esente l’analyse des ph´enom`enes dans le domaine temporel. En parti- culier, on d´ecrit la propagation des ondes pour les deux types de r´everb´eration et on ´etablit leur densit´e d’´echos et le temps de m´elange qui en d´ecoule. Cette ´etude th´eorique est confort´ee par l’analyse des r´eponse impulsionnelles (RI) mesur´ees pour une salle et pour le r´everb´erateur EMT140.

La comparaison dans le domaine fr´equentiel est faite `a partir de la densit´e modale. On sait qu’une densit´e modale ´elev´ee est n´ecessaire pour obtenir une r´everb´eration artificielle de qualit´e. Ce crit`ere permet de d´eterminer quelles propri´et´es sont souhaitables pour qu’une plaque puisse ˆetre utilis´ee comme r´everb´erateur `a plaque.

Dans la mesure du possible, on compare les r´esultats num´eriques du r´everb´erateur EMT140 avec ceux de salles de diff´erente taille afin d’appr´ehender au mieux les ordres de grandeur de la densit´e modale, de la densit´e de r´eflexions et du temps de m´elange.