Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de transmissions, ondes et photonique ITOP (Laboratoire d'électromagnétisme et acoustique LEMA)

Compensation des non-linéarités des systèmes haut-parleurs à pavillon

Bard, Delphine ; Rossi, Mario (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3317.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    The assumptions of linearity and autonomy assumed in circuit theory are known to be respected only partially by electroacoustic transducers. In particular, the dynamics range of the latter is limited by the audible nonlinear effects that they are causing. In the domain of active noise control, the distortion products limit noise reduction performance. The present thesis work stems from characterization of these observations. We want to design a real-time system compensating the nonlinearities of electroacoustic devices. The first part of this report concerns the nonlinearity effects. It is shown that the use of classical characterization methods of an electroacoustic device (harmonic distortion, intermodulation, frequency difference ...) is limited. Hence, they can not be used to determine the nonlinearity laws themselves, but rather only their effects for arbitrary excitations. First, a method based on multitone harmonic excitations has been proposed and validated. It has been applied for the characterization of loudspeaker prototypes using several different technologies, which are used for active noise reduction in an aircraft turboreactor. The second part of this work addresses the elaboration and validation of a nonlinearity effect compensation method. This method is based on the description of the nonlinearities by the Volterra series. For this, we need to place an upstream system, characterized by the inverse nonlinearity law of the loudspeaker system. After having determined precisely the Volterra kernels of the system to be characterized, the kernels of the upstream compensation system are determined by assuming that their cascade obeys to a linear law. For this purpose, a kernel measurement method in the frequency domain has been developed, validated and tested. Since we are concerned with loudspeakers, we took their flying time into account. The compensation method has been validated by computing the simulated response of the compensation circuit. Resulting analog signals have then been applied to the loudspeaker. Measured performances fulfill the expectations. In the last part, the compensation method has been applied in a real-time Digital Signal Processing) DSP controller, which allowed to realize a demonstrator to the implemented for future industrial applications.
    Résumé
    On sait que les hypothèses de linéarité et d'autonomie de la théorie des circuits sont plus ou moins bien respectées par les transducteurs électroacoustiques. En particulier, les non-linéarités des systèmes haut-parleurs limitent leur dynamique d'utilisation en raison des effets audibles qui en résultent. Dans le domaine du contrôle actif du bruit, les produits de distorsion limitent les performances de réduction de bruit. Ces constats sont à l'origine de cette thèse. La finalité de l'entreprise est la réalisation d'un système de compensation des non-linéarités d'un dispositif électroacoustique en temps réel. La première partie est consacrée à la caractérisation des effets des non-linéarités. On démontre que la caractérisation d'un dispositif électroacoustique par les méthodes classiques (distorsion harmonique, intermodulation, différence, etc.) a des limites et ne permet pas de déterminer les lois de non-linéarité, mais uniquement leurs effets pour des excitations arbitraires. Pour suppléer à ces carences, on a d'abord proposé une méthode à multitons harmoniques. Cette méthode a été validée puis appliquée à la caractérisation de prototypes de haut-parleurs pour différentes technologies, destinés au contrôle actif du bruit dans la nacelle d'un turboréacteur. L'objectif de la seconde partie de cette thèse est d'élaborer, tester et mettre en oeuvre une méthode de compensation des effets de non-linéarités. Cette méthode utilise la description d'une non-linéarité et de ses effets par une série de Volterra. Le principe général de la compensation est de disposer, en amont du système haut-parleur, un système présentant la non-linéarité inverse. Connaissant les noyaux de Volterra du système à compenser, on détermine ceux du système de compensation, de manière à ce que leur cascade soit un système linéaire. Cette méthode exige que l'on connaisse avec précision les noyaux de Volterra du système haut-parleur à compenser. On a donc mis au point, validé puis appliqué une méthode de mesure des noyaux de Volterra dans le domaine fréquentiel. S'agissant de hautparleurs à pavillons , on a fait intervenir une correction de temps de vol. La méthode de compensation a été validée par simulations : les signaux numériques de test ont été traités par une simulation du circuit de compensation ; ensuite, les signaux analogiques correspondants ont été appliqués au haut-parleur. Les performances mesurées correspondent aux prévisions. Dans la dernière partie, la méthode de compensation a été implantée dans un contrôleur en temps réel (DSP), ce qui a permis la réalisation d'un démonstrateur en vue des applications industrielles.