La réduction de bruit active : comment un contre‑bruit réduit le bruit.
La réduction de bruit active réduit un bruit en émettant un second son, calculé pour s'opposer au premier. Les deux ondes s'additionnent et s'annulent en partie. Ce second son s'appelle le contre-bruit ou l'anti-bruit.
On parle aussi de réduction active du bruit, de contrôle actif du bruit, d'annulation active du bruit ou de suppression active du bruit. Sur les casques, on lit souvent ANC, réducteur de bruit actif ou noise cancelling.
Que veut dire ANC ?
ANC est un sigle anglais. Il se lit active noise control (contrôle actif du bruit) ou active noise cancelling (annulation active du bruit). Les deux désignent la même technique.
Sur un casque ou des écouteurs, ANC signale que le produit émet un contre-bruit. Les fiches mentionnent parfois une autre réduction de bruit, celle des appels. Elle nettoie le son du microphone pour l'interlocuteur. Le bruit entendu par le porteur du casque reste le même.
Le principe : l'opposition de phase
Un son est une variation rapide de la pression de l'air. Le contre-bruit reproduit la même variation, inversée. Quand le bruit fait monter la pression, le contre-bruit la fait baisser. On dit que les deux ondes sont en opposition de phase.
Leur somme laisse un bruit beaucoup plus faible
Si les deux ondes ont la même amplitude et sont exactement inversées, leur somme est nulle. En pratique, l'inversion reste imparfaite. Le bruit est réduit sans disparaître.
Les éléments d'un système de réduction active
- Un microphone de référence capte le bruit avant qu'il n'arrive dans la zone à protéger.
- Un haut-parleur, appelé source secondaire, émet le contre-bruit.
- Un microphone d'erreur, placé dans la zone à protéger, mesure ce qui reste du bruit.
- Un algorithme adaptatif corrige le contre-bruit en continu, à partir du microphone d'erreur.
L'algorithme de référence s'appelle FxLMS. Il tient compte du chemin secondaire, c'est-à-dire du trajet entre le haut-parleur de contrôle et le microphone d'erreur. La stabilité du système dépend de la justesse avec laquelle ce chemin est estimé.
Feedforward, feedback ou hybride
- Feedforward. Le système part du microphone de référence. Sur un casque, c'est le microphone placé à l'extérieur de la coque.
- Feedback. Le système part du microphone d'erreur seul. Sur un casque, c'est le microphone placé à l'intérieur, près de l'oreille.
- Hybride. Le système combine les deux, pour une atténuation en général plus forte.
La réduction de bruit adaptative
Le terme désigne une réduction active qui ajuste son effet au bruit ambiant. Elle augmente l'atténuation dans un train et la diminue dans une pièce calme. Le principe de base reste le même.
Pourquoi la réduction active fonctionne surtout dans le grave
La longueur d'onde d'un son est la distance parcourue pendant une vibration. Elle vaut 3,4 mètres à 100 Hz et 34 cm à 1 000 Hz.
Le contre-bruit doit rester en opposition de phase avec le bruit dans toute la zone à protéger. Cette zone rétrécit quand la longueur d'onde raccourcit. Autour du point où le bruit est contrôlé, la zone où il baisse de 10 dB mesure en général environ un dixième de longueur d'onde de diamètre. Cela fait 34 cm à 100 Hz et 3,4 cm à 1 000 Hz.
C'est pour cela que la réduction active fonctionne bien dans un casque. L'oreille y est à quelques centimètres du haut-parleur et du microphone d'erreur. Dans les aigus, c'est l'isolation passive qui réduit le bruit : la coque, les coussinets, l'embout.
Le temps de calcul compte aussi. Le contre-bruit doit arriver en même temps que le bruit. Plus le bruit est aigu, moins le système a de temps pour réagir.
Les bruits faciles et les bruits difficiles
Les bruits réguliers et graves se réduisent bien : un moteur, une ventilation, le grondement d'un avion ou d'un train. Leur contenu change lentement, l'algorithme peut suivre.
Les bruits soudains et variés se réduisent moins : une voix, un claquement de porte, une vaisselle qui tombe. C'est pour cela qu'un casque à réduction active laisse encore passer une partie des conversations.
Réduction active ou réduction passive
La réduction passive repose sur les matériaux : isolation, absorption, masse, étanchéité. Elle est efficace dans les aigus. Dans le grave, elle demande des épaisseurs et des masses importantes.
La réduction active complète la réduction passive dans le grave. Dans un casque comme dans un véhicule, les deux se combinent. Le partage entre les deux se décide au cas par cas, par une étude de faisabilité.
La réduction active hors des casques
Dans les habitacles de véhicules
Le contre-bruit est diffusé par les haut-parleurs de l'habitacle. Il réduit le bruit du moteur ou du roulement.
Dans les gaines de ventilation
Le bruit se propage dans un conduit, dans une seule direction. Le premier brevet de contrôle actif, délivré à Paul Lueg en 1936 aux États-Unis, visait déjà ce cas.
Sur les machines
Moteurs, ventilateurs et pompes produisent des bruits liés à leur vitesse de rotation. Ces bruits à fréquence stable se prêtent bien au contrôle actif.
Dans un appui-tête
Les haut-parleurs et les microphones sont placés dans l'appui-tête. La réduction se fait autour de la tête, sans casque. ARTEAC-LAB développe un appui-tête actif.
Sur les vibrations
Le même principe s'applique aux vibrations d'une structure. Des actionneurs fixés sur la structure remplacent alors les haut-parleurs.
La réduction de bruit active est-elle dangereuse ?
Dans la zone visée, le contre-bruit réduit le niveau sonore. Sur un casque, cette zone est l'oreille elle-même.
Certaines personnes ressentent une sensation de pression dans les oreilles avec un casque à réduction active. Cette sensation disparaît en général quand la fonction est coupée. Une gêne qui persiste justifie l'avis d'un médecin.
ARTEAC-LAB conçoit des systèmes de réduction active du bruit pour l'industrie.
Quand un bruit grave résiste à l'isolation d'un produit ou d'une installation, ARTEAC-LAB évalue la faisabilité d'un contrôle actif, puis conçoit le système.
Découvrir la réduction active du bruit
Questions fréquentes
Que veut dire ANC sur un casque ?
ANC signifie active noise cancelling, c'est-à-dire réduction de bruit active. Le casque capte le bruit extérieur et émet un contre-bruit qui l'atténue, surtout dans le grave.
Pourquoi la réduction active ne coupe-t-elle pas les voix ?
Les voix contiennent des fréquences plus aiguës que le bruit d'un moteur. Elles changent aussi très vite. La réduction active atténue mieux les bruits graves et réguliers.
Qu'est-ce que la réduction de bruit adaptative ?
C'est une réduction active qui ajuste son effet au bruit ambiant. L'atténuation augmente dans un lieu bruyant et diminue dans un lieu calme.
Noise cancelling et réduction de bruit active, c'est la même chose ?
Oui. Noise cancelling est le terme anglais employé par les fabricants de casques. En français, on dit réduction de bruit active ou contrôle actif du bruit.
Sources
- Brevet américain US 2 043 416, Paul Lueg, procédé de réduction des oscillations sonores, délivré le 9 juin 1936.
- Elliott, Jung et Cheer, le suivi de la tête étend le contrôle actif local vers les fréquences plus hautes, Scientific Reports, 2018 (en anglais).
- Lu et al., panorama des techniques de contrôle actif du bruit, première partie, arXiv, 2021 (en anglais).