L'audio spatial a transformé notre façon d'expérimenter le son, le rendant plus immersif et réaliste. Des bandes sonores du cinéma aux environnements de réalité virtuelle, la capacité de placer les sons précisément dans l'espace tridimensionnel repose sur une compréhension profonde de la façon dont notre système auditif interprète les signaux acoustiques. relations de phase Cet article explore la physique de la phase, son rôle dans l'audition spatiale et la façon dont les ingénieurs manipulent la phase pour créer des paysages sonores spatiaux convaincants.

Quelles sont les relations de phase?

Les relations de phase décrivent le décalage de temps entre deux ou plusieurs formes d'onde périodiques. En audio, une onde sonore est une variation de pression au fil du temps, souvent approximative comme une onde sinusoïdale. La phase est mesurée en degrés (°) ou radians, où un cycle complet est égal à 360° (2π radians). en phase (différence de 0°). Si une onde est retardée d'un demi-cycle, elle est de 180° sortie de phase- Oui.

En pratique, les différences de phase apparaissent naturellement lorsque le son arrive à deux points différents dans l'espace – par exemple aux oreilles gauche et droite. Parce que les oreilles sont séparées par la tête, une source sonore située à droite atteindra l'oreille droite légèrement avant l'oreille gauche. Cette différence de temps interaural (IDT) n'est généralement qu'une fraction d'une milliseconde mais est cruciale pour localiser les sons dans le plan horizontal. La phase interagit également avec la fréquence : à basse fréquence, l'oreille utilise directement des différences de phase; à haute fréquence, la longueur d'onde est si courte que le cerveau compte davantage sur les différences d'amplitude (différences de niveau interaural, ou DTI).

Dans les systèmes multi-parleurs, la phase relative entre les canaux détermine comment les ondes sonores se combinent dans l'espace d'écoute. En contrôlant ces décalages de phase, les ingénieurs audio peuvent diriger les images sonores, créer des centres fantômes et même produire l'illusion de son venant d'en haut ou derrière l'auditeur.

Comment la phase affecte l'audio spatial

Le système auditif humain utilise plusieurs indices pour déterminer l'emplacement du son : délais de temps (ITD), différences de niveau (ILD), filtrage spectral par l'oreille externe (pinna) et signaux dynamiques des mouvements de tête. La phase sous-tend tous ces éléments. Lorsque deux signaux sont joués par différents haut-parleurs, la relation de phase aux oreilles de l'auditeur détermine si le cerveau perçoit une image unique ou deux sources distinctes. sommation localisation ou les Effet Haas (effet de préséance) lorsqu'un petit retard est introduit entre les deux signaux.

Dans une configuration stéréo, si les deux haut-parleurs émettent exactement la même forme d'onde en phase, l'auditeur perçoit le son comme venant d'un point exactement entre les haut-parleurs. Si le signal de l'enceinte gauche est légèrement retardé (réaliser un changement de phase par rapport à la droite), la source perçue se déplace vers l'enceinte précédente. Ce principe est utilisé pour le panning; déplacer le contrôle de la panoramique change efficacement le niveau relatif et le timing entre les canaux.

Différences et localisation entre les phases interurbaines

Les recherches montrent que les différences de phase interaurale (DPI) sont le principal indice de localisation des sons à basse fréquence (en dessous de 1,5 kHz environ). À 500 Hz, une différence de phase de 30° correspond à un délai d'environ 0,17 ms – ce qui permet de déplacer la direction perçue de plusieurs degrés. Pour les fréquences plus élevées, la longueur d'onde devient plus petite que le diamètre de la tête, ce qui provoque une ambiguïté de phase (le cerveau ne peut pas dire quel cycle est retardé).

Les systèmes audio spatiaux modernes exploitent ces mécanismes dépendants de la fréquence. Par exemple, les écouteurs audio virtuels surround utilisent des fonctions de transfert de tête (RTH) qui comprennent des modifications de phase et d'amplitude pour simuler le filtrage des pinnas et les DTI/IDD appropriés. La composante de phase des RTH est particulièrement critique pour créer des indices d'élévation précis, des sons provenant de dessus ou de dessous du plan horizontal.

Interférence constructive et destructive

Les différences de phase conduisent à deux interactions primaires d'onde : interférence constructive et une interférence destructrice. Lorsque deux ondes sinusoïdales identiques sont parfaitement en phase, elles s'additionnent pour produire une onde double d'amplitude, augmentant le niveau de pression sonore (SPL) jusqu'à 6 dB. Inversement, lorsqu'elles sont exactement hors de phase (180° de différence), elles s'annulent complètement, entraînant le silence. Dans l'audio réel, l'annulation n'est jamais totale car les signaux sont rarement parfaitement identiques à la fois dans l'amplitude et dans le contenu de fréquence, mais les annulations partielles provoquent des dips audibles connus comme filtrage des peignes- Oui.

Le filtrage de peigne se produit lorsqu'un son direct et une copie retardée (par exemple, d'une réflexion ou d'un deuxième haut-parleur) se combinent. La réponse de fréquence devient une série de pics et d'encoches également espacés, ressemblant à un peigne. Cela peut colorer le son – le rendant mince ou creux – si ce n'est pas bien géré.

Gestion de l'annulation dans les systèmes multicanaux

Dans une configuration sonore surround, la relation de phase entre les sous-loueurs et les haut-parleurs principaux est critique. Si le sous-loueur est positionné de telle manière que sa sortie arrive à 180° hors de phase avec les haut-parleurs principaux à la position d'écoute, la réponse de la basse peut être fortement réduite. De nombreux récepteurs AV comprennent un réglage de phase ou un réglage de retard (distance) de subwoofer pour aligner l'arrivée de fréquences de basse.

L'interférence des ondes est également la base de certaines technologies audio spatiales. Ambisoniques, les harmoniques sphériques sont codées comme coefficients de phase et d'amplitude; le décodage implique un summing de signaux avec des changements de phase appropriés pour recréer un champ sonore tridimensionnel. synthèse binaurale, chaque source virtuelle est associée à une paire de FDRH qui capturent les différences de phase que l'oreille recevrait naturellement.

Applications dans les technologies spatiales de l'audio

La manipulation de phase est au cœur de presque tous les systèmes audio spatiaux modernes, des écouteurs grand public aux installations de cinéma Dolby Atmos. Ci-dessous, nous explorons les technologies les plus importantes et comment elles tirent parti des relations de phase.

Audio et ressources humaines

L'enregistrement binaurique utilise une tête factice avec des microphones placés sur les canaux d'oreille pour saisir les signaux naturels de phase et d'amplitude qu'un auditeur humain connaît. Lorsqu'il est rejoué sur un casque, les relations de phase exactes du champ sonore enregistré sont préservées (à condition que le casque ait une réponse plate).

Dans les systèmes binaural synthétiques (utilisés dans les jeux et les VR), les fonctions de transfert de tête sont mesurées à partir de sujets humains ou simulées à l'aide de modèles mathématiques. Chaque HRTF est une paire de réponses d'impulsions qui codent comment le pinna, la tête et le torse modifient le son d'une direction donnée. La composante de phase de ces réponses d'impulsions contient l'information ITD et les encoches spectrales causées par l'oreille externe.

Pour plus de détails, voir le document Article Wikipédia sur les HRTF offre un aperçu accessible, et Document de l'AES sur les effets de la phase du FASS offre une meilleure compréhension de l'impact de la localisation sur la phase.

Ambisonique et ambassique de commande supérieure (HOA)

L'ambisonique est une technique sonore surround à pleine sphère qui code un champ sonore en utilisant la décomposition harmonique sphérique. Les signaux B de base (W, X, Y, Z) capturent les gradients de pression et de pression sur trois axes. Ces gradients sont essentiellement des différences de phase entre les points opposés sur une sphère. Par exemple, le canal X est proportionnel à la différence entre les microphones avant et arrière, qui est une comparaison de phase aux fréquences les plus basses.

Le processus d'encodage et de décodage implique des matrices de phase qui combinent des signaux avec des poids et des retards spécifiques. Les décodeurs de phase pour les tableaux d'enceintes utilisent des algorithmes d'alignement de phase – comme la pondération --max-rE-- pour optimiser le vecteur d'énergie et réduire le flou de localisation. Ces relations de phase sont essentielles pour atteindre un champ sonore stable et homogène sur une vaste zone d'écoute.

Pour une introduction faisant autorité, voir Page Ambisonique Wikipedia et les livre "Procréation sonore" de Floyd Toole, qui couvre la phase dans les systèmes multicanaux.

Synthèse du champ de vague (WFS)

La synthèse de champ Wave est une technique sonore spatiale basée sur le physique qui utilise un large éventail de haut-parleurs très espacés – souvent des centaines – pour recréer le front d'onde exact d'une source virtuelle. Le principe est dérivé du principe Huygens : chaque point sur un front d'onde peut être considéré comme une source secondaire d'ondes sphériques. En conduisant chaque haut-parleur avec la phase et l'amplitude appropriées (calculées à partir de la position de source virtuelle souhaitée), WFS peut produire un champ sonore réaliste correctement localisé sur une grande zone d'écoute.

Chaque signal doit être retardé par une fraction précise de la période d'échantillonnage pour simuler le moment correct de l'arrivée. Les systèmes de traitement numérique du signal (DSP) utilisent des retards d'échantillonnage entiers plus des filtres de retard fractionnels (interpolation de tous les passages ou de lagrange) pour obtenir une précision inférieure à l'échantillon. En pratique, les systèmes WFS sont limités à de basses fréquences en raison de l'aliasation spatiale (la longueur d'onde doit être plus longue que le double de l'espacement des haut-parleurs), mais la manipulation de phase reste le cœur de la technologie.

Audio virtuel surround et basé sur des objets

Dolby Atmos, DTS:X et Auro‐3D sont des formats basés sur des objets où les objets audio (p. ex. un hélicoptère) sont balisés en positions arbitraires à l'aide de métadonnées. Le moteur de rendu utilise des algorithmes de panoramique de phase et d'amplitude, souvent une combinaison de panoramique d'amplitude basé sur un vecteur (VBAP) et de retard basé sur la distance. Les relations de phase sont gérées pour éviter le filtrage de peigne entre les haut-parleurs adjacents.

Dans les écouteurs, le décodage virtuel surround (p. ex. Dolby Atmos pour casques) applique des HRTF à chaque objet, intégrant les différences de phase qui se produiraient dans un véritable tableau de haut-parleurs. Ces HRTF sont pré-mesurés pour plusieurs positions de haut-parleurs (typiquement 7.1.4 ou 91,6) et ensuite mélangés à deux canaux. La précision de phase de ces rendus binauraux a une incidence directe sur l'espace et l'externalisation perçus.

Considérations pratiques pour les ingénieurs de l'audio

La compréhension de la phase n'est pas seulement théorique, elle a des implications directes pour l'enregistrement, le mélange et la maîtrise. Voici plusieurs points pratiques où les relations de phase comptent :

  • Technique de microphone : Lorsque vous utilisez plusieurs microphones sur une seule source (par exemple, l'enregistrement d'une armoire à guitare à deux micros), l'alignement de phase empêche le filtrage des peignes. Les ingénieurs retournent souvent la phase d'un micro (une inversion de 180°) ou règlent sa position pour minimiser les annulations. Des outils comme les compteurs de corrélation de phase (par exemple, le compteur de corrélation dans votre DAW) indiquent si deux signaux sont en phase ou en dehors; une valeur de -1 signifie parfait hors phase.
  • Mélange: Les effets de panning reposent souvent sur une combinaison de niveau et de phase. Un astuce commun pour élargir un mix stéréo est de retarder légèrement un canal (20–50 ms) pour produire un élargissement de l'effet Haas. Cependant, un retard excessif peut brouiller l'image centrale. Le traitement du côté médian utilise également la phase pour isoler l'information centrale et latérale : le milieu est L+R (en phase), le côté est L‐R (en phase).
  • Maîtrise : Les plugins d'élargissement stéréo utilisent souvent la manipulation de phase (filtres de tous les passages) pour créer un sens de largeur sans augmenter la corrélation entre les canaux. Il faut veiller à ne pas créer un décalage de phase excessif qui cause des problèmes de compatibilité mono.
  • Son en direct : Les réseaux de subwoofer (p. ex. cardioides ou feux de fin) sont conçus en utilisant l'annulation de phase pour diriger les basses fréquences vers le public et réduire les rayonnements arrière. En plaçant les subwoofers avec un espacement spécifique et une inversion de polarité, les ingénieurs peuvent obtenir un contrôle directionnel de basse fréquence.

Pour une plongée plus profonde dans les questions de phase pratique, le magazine Sound on Sound a un excellent article: "La phase a été facile" qui explique à la fois la théorie et les approches courantes de dépannage.

Conclusion

Les relations de phase sont une pierre angulaire de l'audio spatial : elles définissent comment les sons se combinent, s'annulent et créent des illusions de direction, de distance et d'enveloppe.De la différence de temps interaural que nos cerveaux utilisent pour localiser les sons, aux retards numériques précis dans la synthèse de champ de vague, la phase de contrôle est essentielle pour tout ingénieur travaillant avec l'audio immersif.