Measurement, modelling and simulation of earphone sound signature

Bacon, Cédrik (2013). Measurement, modelling and simulation of earphone sound signature. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Earphones are no longer a novelty or substandard to large sound systems. People use them for music reproduction, on the go and even at home. However, the frequency responses of the earphones nowadays available are as different as the exterior designs of the earpieces. This master thesis aims at identifying the contributing factors, from a psycho-acoustics point of view, to a good sound signature for earphones. It also presents the components necessary to achieve such a sound signature from a design point of view. To do so, this thesis presents an important literature review and highlights an issue not present when sound reproduction is performed with a distant source: the variability of the coupling between the ear and the earphone. In a first part, the psycho-acoustics of listening with earphones is explained because earphones do not provide important cues that listeners would naturally perceive when listening to a distant source. Various perceptual audio descriptors such as loudness, frequency response and other metrics are also presented in order to establish the requirements for earphone design. In a second part, the measurement of earphones and the measurement tools available to these measurement are presented. The concept of electrical impedance, frequency response and distortion measurement are covered. The reliability of these tools as indicators of the variability of the coupling between the ear and the earphone for a given population is compiled from various published studies. In a third part several modelling methods, such as the lumped-elements, control-system block diagrams and two-port networks, are detailed and the models of electro-acoustic transducers and passive components are covered. A simulation is performed on earphones recently developed by the industrial partner of this work with software tools likeMATLAB®, Simulink® and Simscape®. Lastly, this thesis presents areas identified during this research that would benefit from further research, such as the need for a new broad-band measurement apparatus and the need for psycho-acoustic studies on the impact of the coupling between the ear and the earphone. A practical solution to the delicate question of the earphone/ear coupling variability is offered and relies on the automated and individualized adjustment of the earphones frequency response based on the measurement -by the digital audio player- of the electrical impedance of the earphones.

Résumé traduit

Les écouteurs ne sont plus une nouveauté ou une alternative bon marché à des systèmes de reproduction sonore dits de salon. Ils sont maintenant utilisés pour écouter de la musique autant en déplacement qu’à la maison. Cependant, les réponses en fréquence des écouteurs disponibles actuellement sont aussi différentes que leurs designs extérieurs. Ce mémoire vise à identifier les facteurs qui contribuent, du point de vue de la psychoacoustique, à une bonne signature sonore pour un écouteur donné. Il présente également les composantes nécessaires à la réalisation d’une telle signature sonore d’un point de vue de la conception. Pour ce faire, une importante revue de la littérature est produite et met en évidence l’effet de la variabilité du couplage entre l’écouteur et l’oreille. Dans un premier temps, les aspects psychoacoustiques propres aux écouteurs sont présentés étant donné que les écouteurs ne fournissent pas des indices sonores qu’un sujet reçoit habituellement lors de l’écoute de sources distantes. Une présentation est faite de plusieurs descripteurs perceptifs tels que la sonie, la réponse en fréquence et d’autres métriques nécessaires à la mise en place des requis de base pour la conception d’écouteurs. Dans un deuxième temps, les méthodes de mesure des écouteurs ainsi que les outils disponibles pour ces mesures sont passés en revue. L’impédance électrique, la réponse en fréquence et la mesure de la distorsion sont ainsi présentées en détail. La fiabilité de ces outils comme des indicateurs de la variabilité du couplage entre l’oreille et l’écouteur pour une population donnée est analysée à travers une synthèse de diverses études publiées. Dans un troisième temps plusieurs approches de modélisation sont présentées, notamment celle par éléments localisés, celle des schémas de contrôle de système et celle des quadripôles, et les modèles des transducteurs électroacoustiques et des composants électriques passifs sont rappelés. Une simulation de plusieurs écouteurs récemment commercialisés par le partenaire industriel de ce projet est par la suite faite à l’aide des outils logiciels MATLAB®, Simulink® et Simscape®. Pour terminer, ce mémoire identifie des domaines qui pourraient bénéficier d’avantage de recherche, à savoir de nouveaux appareils de mesure large-bande et des études psychoacoustiques sur l’impact du couplage entre l’oreille et l’écouteur. Parallèlement, une solution pratique à la délicate question de la variabilité dans le couplage écouteur/oreille est proposée et s’appuie sur le réglage automatisé et individualisé de la réponse en fréquence des écouteurs à l’aide d’une mesure -par le lecteur audionumérique- de l’impédance électrique des écouteurs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	Bibliographie : pages 159-167. "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree in mechanical engineering".
Mots-clés libres:	Écouteurs Conception et construction. Écouteurs Modèles mathématiques. Audiofréquence. Psychoacoustique. Sonie. Réponse en fréquence (Génie électrique) Impédance électrique. Couplage, oreille, signature, sonore, acoustique, électro-acoustique, psycho-acoustique, dévelopement de produit, audio perceptuel, écouteurs, haut-parleurs, modélisation, conception, bi-porte, quadripôle, loudness, simulation, mesure
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Voix, Jérémie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	27 oct. 2014 15:59
Dernière modification:	07 déc. 2016 02:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1201

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