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Le livre blanc de G.R.A.S Acoustics traite des propriétés et des défis liés à l’utilisation du simulateur d’oreille standard IEC 60318-4 (anciennement IEC 60711) et présente un nouveau simulateur d’oreille haute fréquence qui est une version améliorée du modèle standard IEC 60318-4. Il est conforme à la norme CEI 60318-4, tant sur le plan mécanique qu’acoustique, jusqu’à 10 kHz, mais améliore la répétabilité des hautes fréquences et les mesures de distorsion.

1. Simulateur d'oreille standard : Qu'est-ce que c'est ?

Le modèle d’oreille standard IEC 60318-4 (anciennement IEC 60711) a été conçu au début des années 1980 et imite l’impédance d’entrée et de transfert d’une oreille humaine. Alors que l’impédance d’entrée était basée sur des mesures sur des sujets humains, l’impédance de transfert était basée sur l’hypothèse que le canal auditif est un volume cylindrique simple avec une terminaison dure. De toute évidence, le canal auditif humain n’est pas une cavité cylindrique et la membrane tympanique forme un angle avec le canal auditif conique. Cela remet en question la validité de l’impédance de transfert, en particulier aux hautes fréquences.

Lorsque le simulateur d’oreille a été conçu au début des années 1980, le besoin de mesures de hautes fréquences supérieures à 10 kHz était limité. Dans l’industrie des appareils auditifs, 8 kHz était considéré comme suffisant. Les appareils auditifs modernes et les appareils électroniques grand public, tels que les casques, nécessitent des mesures à des fréquences allant jusqu’à 20 kHz et au-delà. Lors des mesures effectuées avec le simulateur d’oreille, l’appareil à tester (DUT) est généralement couplé au moyen d’une extension du conduit auditif et d’un pavillon en caoutchouc.

La figure 1 montre le simulateur d’oreille GRAS RA0045 conforme à la norme IEC 60318-4 avec une extension de conduit auditif standard montée.

simulateur d'oreille GRAS RA0045

La figure 2 montre une coupe du simulateur d’oreille standard. Le simulateur d’oreille se compose d’un volume principal, qui s’étend du plan de référence à l’entrée du modèle d’oreille jusqu’au diaphragme du microphone. Le diamètre du volume principal est de 7,5 mm et sa longueur est d’environ 12 mm. Les volumes latéraux sont reliés au volume principal par de fines fentes.

Les volumes latéraux simulent la résonance de l’oreille moyenne dans la gamme de fréquences d’environ 800 à 2000 Hz. La longueur du volume principal introduit une résonance ½ onde à Q élevé à 13,5 kHz. Le microphone fait partie du simulateur d’oreille et le système est étalonné comme une unité complète. Le microphone ne doit jamais être retiré car cela peut modifier la réponse de l’unité. Le simulateur d’oreille est étalonné en utilisant un microphone à pression ¼ » comme émetteur placé dans le plan de référence. Cet étalonnage donne une mesure directe de l’impédance de transfert du simulateur d’oreille.

une coupe du simulateur d'oreille standard
La figure 3 montre l’impédance de transfert typique du simulateur d’oreille standard. La CEI spécifie les tolérances de 100 Hz à 10 kHz. La norme spécifie également la résonance ½ onde qui doit se situer à 13,5 kHz ± 1,5 kHz mais ne précise pas de valeur de crête pour la résonance. Un GRAS >RA0045 typique aura une résonance à 13 kHz ± 500 Hz.
graphique du simulateur d'oreille standard

2. Comment le conduit auditif affecte-t-il la réponse en fréquence du simulateur ?

Lors de la mesure avec le simulateur d’oreille, le placement de l’appareil sous test (DUT) est critique car l’emplacement exact de la fréquence du pic de résonance est régi par la distance entre le conducteur du DUT et le microphone. Cela signifie que l’ajout d’un conduit auditif devant le modèle d’oreille modifiera la réponse en fréquence du simulateur.

La figure 4 montre les mesures de la modification de la résonance de l’onde ½ lors de l’ajout de canaux d’oreille au simulateur d’oreille. Les canaux auriculaires sont constitués de cylindres en acier d’un diamètre de 7,5 mm et de longueurs variables de 2 à 13 mm. L’ajout d’un canal auditif augmente en pratique la longueur du volume principal.

graphique de la variation de la longueur du conduit auditif

Comme le montrent les mesures, le pic de résonance descend en fréquence lorsque la longueur du conduit auditif, et donc le volume principal, augmente. De même, la valeur de pointe de la résonance présente une pente descendante en raison de l’introduction d’une petite résistance acoustique dans le simulateur d’oreille lorsque la distance au microphone change. Traduit en mesures pratiques, cela signifie qu’en mesurant au niveau du plan de référence, l’utilisateur peut être sûr que la résonance est à 13,5 kHz.

Cependant, cela changera lorsque l’objet sous test (par exemple, un casque intra-auriculaire ou un récepteur d’aide auditive) est placé à une distance quelque peu aléatoire du plan de référence dans une extension du conduit auditif. La distance exacte par rapport au plan de référence déplace la résonance à un nouvel endroit du spectre de fréquences, ce qui peut introduire de grandes différences entre les mesures en raison du Q élevé de la résonance.

3. Comment la résonance affecte-t-elle la mesure du THD et des distorsions ?

Le THD est calculé comme le rapport entre une fréquence fondamentale et les harmoniques résultantes introduites par la distorsion. Les harmoniques reçoivent un gain indésirable lorsque le multiple de la fondamentale est égal à la fréquence de résonance du simulateur d’oreille.

La figure 5 montre un exemple de mesure du THD dans le simulateur auriculaire standard. La fréquence fondamentale de 3300 Hz produit des harmoniques à 6600 Hz, 9900 Hz et 13,2 kHz. La quatrième harmonique à 13,2 kHz coïncide avec la résonance et le gain résultant donnera une lecture erronée de la distorsion à 3300 Hz.

Le même problème peut être observé sur d’autres mesures de distorsion comme le Rub n’Buzz ou la distorsion d’intermodulation. L’harmonique V4 coïncide avec la résonance ½ onde et la mesure réelle de l’harmonique est beaucoup plus élevée que le niveau réel des harmoniques.

graphique mesure THD

Le nouveau simulateur d’oreille haute fréquence de GRAS

La figure 6 montre notre nouveau simulateur d’oreille haute fréquence. Afin d’atténuer les inconvénients présentés par la résonance dans le modèle d’oreille standard, GRAS a développé deux nouvelles variantes du IEC 60318-4 :

  • le RA0401 : Externally Polarized High-Frequency Ear Simulator ;
  • le RA0402 : un équivalent pré-polarisé.
simulateur d'oreille haute fréquence

La figure 7 montre la réponse typique du simulateur haute fréquence par rapport au simulateur standard.

En ajoutant un amortissement acoustique très précis, la résonance est amortie d’environ 14 dB tout en respectant les tolérances strictes au-dessous de 10 kHz imposées par la norme CEI 60318-4. La résonance amortie permet d’introduire des tolérances de production dans la gamme de fréquences de 10 à 20 kHz.

La norme CEI prévoit une tolérance de ±2,2 dB à 10 kHz. La précision du simulateur d’oreille haute fréquence a permis d’étendre la tolérance de ±2,2 dB jusqu’à 20 kHz. Ainsi, la différence entre les simulateurs sera beaucoup plus faible avec le modèle haute fréquence qu’avec le standard.

Courbe Ouveau simulateur

Si deux simulateurs d’oreille standard ont la résonance aux extrêmes de la tolérance CEI (12 et 15 kHz), les différences de réponse au-dessus de 10 kHz seront profondes.

La figure 8 montre la réponse typique superposée avec les tolérances pour le simulateur d’oreille haute fréquence.

graphique resonance amortie

Comme le montre la section sur le simulateur d’oreille standard, l’emplacement de la résonance de la ½ onde change lorsque l’objet sous test n’est pas placé dans le plan de référence. Cela est également vrai avec le simulateur haute fréquence, cependant, l’amortissement restera le même et le pic de la résonance ne change pas avec la longueur du canal auditif. Ceci est illustré à la figure 9. Par rapport à la mesure identique effectuée avec le simulateur d’oreille standard, illustrée à la figure 4, le modèle haute fréquence présente une réponse stable sur toute la gamme des conduits auditifs, sans pente descendante des pics de résonance. La nature amortie de la résonance limite également les différences introduites par le changement de placement de l’objet sous test.

graphique resonance simulateur oreille

Spécifications

Le tableau 1 résume les spécifications du nouveau modèle d’oreille haute fréquence. Notez que le facteur de forme est le même pour le nouveau simulateur d’oreille et qu’il peut donc être utilisé avec tous les anciens produits comme le mannequin KEMAR 43AG.

Le simulateur auriculaire haute fréquence est disponible en deux variantes, le RA0401à polarisation externe et le RA0402à pré-polarisation.

tableau specification simulateur d'oreille

4. Quels sont les avantages de l'utilisation du simulateur d'oreille ?

Plusieurs avantages peuvent être observés lors de l’utilisation du simulateur auriculaire haute fréquence. Cette section met en évidence deux de ces cas.

Mesure avec un casque intra-auriculaire

Lors de la mesure de la réponse en fréquence d’un casque intra-auriculaire, le produit est généralement couplé au simulateur d’oreille par une extension de conduit auditif en acier ou un conduit auditif combiné à un pavillon en caoutchouc sur un simulateur de tête et de torse comme le modèle d’oreille et de joue KEMAR ou 43AG.

Les exemples suivants sont des mesures d’un écouteur intra-auriculaire dans un conduit auditif en acier placé sur le simulateur, comme le montre la figure 10. Le casque est monté dans le conduit auditif avec le rembourrage en caoutchouc en place.

casque intra oriculaire

Les mesures comparent la réponse en fréquence et le THD mesurés dans le simulateur d’oreille standard et le simulateur haute fréquence. La figure 11 montre une comparaison entre la réponse en fréquence dans le modèle standard et le modèle haute fréquence.

Dans le standard, la résonance du pilote du casque et la résonance du simulateur d’oreille coïncident presque, ce qui rend difficile l’interprétation du résultat.

Dans le haute fréquence, la résonance du modèle d’oreille est amortie et la réponse en fréquence qui en résulte est beaucoup plus claire.

De plus, en raison de la distance entre le conducteur et le microphone, la résonance du modèle d’oreille est à 10,5 kHz et celle du conducteur à 12 kHz. Ce serait une erreur facile d’intervertir les deux lors de la mesure avec le simulateur  standard.

graphique mesures comparative d'un écouteur

La figure 12 montre la mesure du THD avec le même casque intra-auriculaire. En examinant le résultat de la DHT, il est clair que le simulateur d’oreille standard surestime la distorsion à 3,3 kHz et 5 kHz en raison du gain imposé par la résonance, alors que le pic de DHT à 900 Hz est clairement le même dans les deux cas et n’est donc pas lié à la résonance, mais en fait, à un pic réel de la distorsion du haut-parleur. Les différences entre les pics sont de 6,5 dB à 3,3 kHz et de 4,5 dB à 6 kHz.

graphiques mesures THD dans le simulateur

Conclusion

Les défis posés par la résonance à Q élevé dans le modèle standard IEC 60318-4 sont atténués par le nouveau modèle haute fréquence.

Non seulement il fournit des résultats plus stables et plus faciles à interpréter, mais il améliore également les mesures de distorsion pour les produits portables tels que les casques intra-auriculaires et les appareils auditifs.

Le nouveau simulateur d’oreille haute fréquence est rétro compatible acoustiquement jusqu’à 10 kHz et mécaniquement compatible avec le simulateur d’oreille standard IEC 60318-4.

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