Un générateur de bruit rose

Ce générateur de bruit rose est très utile pour analyser les propriétés acoustiques d’une pièce, afin de régler l’égaliseur de votre chaîne Hi-fiet d’obtenir ainsi les meilleures performances sonores possibles. Ce bruit est produit par un ”shift register” (registre de décalage) à 33 étages, facilement modifiable pour synthétiser aussi un bruit blanc.



i vous êtes un passionné de Hi-fihaut de gamme vous savez qu’il est indispensable d’adapter la courbe de réponse de votre installation aux formes et dimensions de votre ”auditorium” (surtout si c’est votre salon qui en tient lieu !) à l’aide d’un égaliseur. Pour régler ce dernier, on injecte dans l’amplificateur un signal complexe à large spectre comprenant toutes les fréquences audio à la même amplitude (bruit blanc) et dans la pièce d’écoute un microphone capte ce signal et l’affiche sur l’écran d’un analyseur de spectre : il ne reste plus, en jouant sur les curseurs de l’égaliseur, qu’à obtenir une courbe de réponse plate. Mais l’oreille humaine n’étant pas aussi sensible à toutes les fréquences entre 20 et 20 000 Hz (elle ”privilégie” les fréquences entre 2 et 4 kHz), il vaut mieux utiliser un signal complexe qui en tienne compte (bruit rose) : le bruit rose présente une énergie égale par octave de fréquences (une octave est une gamme de fréquences f1 à f2 : telle que f2 : f1 = 2, par exemple, les bandes de 100 à 200 Hz, de 250 à 500 Hz, de 7 040 à 14 080 Hz sont des octaves). Son énergie est plus forte sur les fréquences basses (graves) et sur les hautes (aiguës) que sur les media (pluriel de medium en latin, qui signifie moyenne), afin que le cerveau ait la sensation d’un même volume sonore pour toutes les fréquences de la bande audible. Le bruit rose permet donc une ”correction physiologique”.
Pour mettre à profit ce générateur, il vous suffira de relier sa sortie (RCA ”cinch”) à l’entrée AUX de votre amplificateur et d’utiliser un analyseur de spectre BF doté de son microphone pour ”voir” la réponse en fréquence de votre salon et la corriger à l’aide de l’égaliseur.
Mais voyons comment on produit un bruit rose : il faut d’abord produire un bruit blanc et ensuite, à travers un filtrage adéquat, on obtient le bruit rose. Un signal blanc se caractérise, dans le domaine de la fréquence, par une composante continue sur tout le spectre et, dans le domaine temporel, par des ”impulsions de Dirac” : ces dernières peuvent être schématisées par un signal rectangulaire dont les bases (durée temporelle) tendent vers 0 et les hauteurs (niveau de tension) vers l’infini. Mais ce n’est là qu’une vue de l’esprit mathématique : dans la pratique, il est impossible de réaliser un tel signal.
Pour produire le bruit blanc, on a donc recours à une approximation : généralement la ligne spectrale constante en fréquence est réalisée, dans le domaine temporel, par un signal composé de divers rectangles de hauteurs égales mais de durées différentes.
Plus longue est la durée temporelle du rectangle, plus l’énergie du signal est concentrée dans les composantes à basses fréquences et inversement, plus on réduit l’amplitude temporelle, plus l’énergie spectrale se déplace vers les hautes fréquences. Donc, si on produit un signal composé de dif férentes répliques temporelles du rectangle, chacune ayant sa durée propre, on peut obtenir une bonne approximation du bruit blanc.

Le schéma électrique
Le schéma électrique de la figure 1 met en évidence quatre blocs. Le premier est l’étage d’alimentation : il prélève à l’extérieur une tension de 9 à 12 V alternative ou 12 à 15 V continue et, à travers le régulateur VR1 78L08, il fournit le 8 V stabilisé à tout le circuit.
En revanche, le bloc s’occupant de produire les différents rectangles se compose des deux circuits intégrés CD4006 IC1 et IC2 et des trois portes NAND IC3b, IC3c et IC3d. Chaque CD4006 est un registre de décalage à dix-huit étages.
Voir figure 1, le schéma synoptique : les dix-huit étages se divisent en blocs de quatre ou cinq étages, dont les sorties aboutissent à l’extérieur du générateur. Si nous comparons le schéma synoptique et le schéma électrique, nous voyons que le premier circuit intégré est configuré comme un registre à seize étages : la sortie Q4 (broche 13) est en effet acheminée à l’entrée DP5 (broche 4), la sortie Q8 (broche 6) à l’entrée DP10 (broche 5) et enfin la sortie Q13 (broche 10) à l’entrée DP14 (broche 6). Enfin la sortie Q17 (broche 8) est acheminée à l’entrée DP1 (broche 1) du second registre de décalage IC2. Ce second circuit intégré est en revanche configuré comme registre de décalage à dix-sept étages : comparez le schéma synoptique avec le schéma électrique pour comprendre comment sont ”shiftés” (déplacés) les divers bits.
Au total, les deux blocs IC1 et IC2 constituent un registre de décalage à trentetrois étages.
La sortie de IC2 (broche 8) subit alors une élaboration particulière sous l’effet des trois portes NAND : la sortie de la dernière porte NAND est en outre rétro actionnée à l’entrée du premier registre de décalage (broche 1 de IC1). La NAND restante IC3a est utilisée pour produire le signal d’horloge dont la fréquence (déterminée par R1/RV1 et C1) cadence le décalage des registres. Le bruit blanc est obtenu par production d’un signal pseudo aléatoire au moyen du registre de décalage à trente-trois bits : en effet, à la mise sous tension du circuit, l’entrée 5 de la NAND IC3d est maintenue basse par le processus de charge de C3, la sortie 4 étant haute. L’état logique 1 est ensuite acheminé vers l’entrée de IC1. À l’intérieur de ce circuit intégré, le signal est décalé, avec la fréquence donnée par le signal d’horloge. De même, le signal de sortie IC1 (broche 8) est acheminé vers l’entrée de IC2 (broche 1).
Le signal est alors élaboré en mode pseudo aléatoire par les NAND IC3b et IC3c, ce qui permet d’obtenir un ensemble de signaux rectangulaires de différentes durées. Quand C3 est chargé, la broche 5 de IC3d est au niveau logique haut, à la sortie de la NAND arrive le signal provenant de IC3c, mais inversé, lequel est acheminé vers l’entrée de IC1, continuant ainsi la chaîne de production du signal pseudo aléatoire.
Pour mieux comprendre comment travaille le circuit, voir la fig. 4 : en particulier c) montre le déroulement temporel à la sortie de IC3c (on voit comment le signal blanc se compose de divers signaux rectangulaires, chacun étant caractérisé par une durée différente), les signaux les plus brefs sont ceux des hautes fréquences, ceux de durées supérieures, les basses. En réalité, pour obtenir le bruit blanc, il est nécessaire d’effectuer ensuite un passage à travers l’éventuel C2.
Pour obtenir le bruit rose, il est nécessaire de filtrer le signal blanc qu’on vient de construire. Le bloc constituant le filtre est celui composé du réseau R5 à R7 / C5 à C7 (dans ce cas C2 et le réseau composé de R4, R8, R9, de C4, C8 et C9 ne doivent pas être montés).
Le dernier bloc, constitué par T1, est un petit amplificateur du signal de sortie.
Sur la broche OUT, il est possible alors de prélever le signal d’exploitation. La figure 4d montre le déroulement temporel du bruit rose mesuré en sortie.
On voit que le signal est encore composé de formes élémentaires de durées variables : dans ce cas, cependant, le rectangle pur n’est plus présent car il a été modifié par le filtrage.
Dernière précision concernant C1 : en portant C1 à 18 pF on change la fréquence d’horloge réglant le décalage du registre à 500 kHz. En montant seulement C2 on obtient alors un bruit blanc à 500 kHz. Si, en revanche, on intègre le filtre avec tout le réseau R4 à R9 / C4 à C9 et C2 = 470 pF, il est possible d’obtenir à nouveau le bruit rose, mais à la fréquence d’horloge de 500 kHz.

Figure 1 : Schéma électrique du générateur de bruit rose et schéma synoptique du CD4006.

Le montage d’une partie du réseau composé de R4 à R9, C2 et C4 à C9 dépend du type de signal que l’on veut produire.
Pour le bruit rose, monter seulement le réseau R5 à R7/C5 à C7. En outre, si l’on adapte C1, on peut modifier la fréquence d’horloge du registre de décalage : pour obtenir le bruit blanc, modifier C1 = 18 pF et monter seulement C2. Si, à cette fréquence d’horloge, on veut obtenir à nouveau le bruit rose, il faut intégrer le filtre avec R4 à R9, C4 à C9 et C2 = 470 pF.
IC1 et IC2 CD4006 constituent un registre de décalage à 18 étages.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du générateur de bruit rose.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du générateur de bruit rose.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes du générateur de bruit rose.

Liste des composants
R1 ... 10 kΩ
R2 ... 100 kΩ
R3 ... 100 kΩ
R4 ... 4,7 kΩ*
R5 ... 47 kΩ*
R6 ... 22 kΩ*
R7 ... 10 kΩ*
R8 ... 4,7 kΩ*
R9 ... 2,2 kΩ*
R10 .. 220 kΩ
R11 .. 1 kΩ
RV1 .. 220 kΩ
C1 ... 680 pF céramique (18 pF*)
C2 ... 100 pF céramique (470 pF*)
C3 ... 10 nF céramique
C4 ... 47 nF* céramique
C5 ... 22 nF* céramique
C6 ... 10 nF* céramique
C7 ... 4,7 nF* céramique
C8 ... 2,2 nF* céramique
C9 ... 1 nF* céramique
C10 .. 100 nF multicouche
C11 .. 100 nF multicouche
C12 .. 10 μF 35 V électrolytique
C13 .. 100 μF 25 V électrolytique
D1 ... 1N4148
D2 ... 1N4148
D3 ... 1N4007
T1 ... BC547
IC1 .. CD4006
IC2 .. CD4006
IC3 .. CD4093
VR1 .. 78L08

Divers :
3 .... supports 2 x 7
* Les composants marqués d’un astérisque ont des valeurs différentes selon le type de signal (blanc ou rose) que l’on souhaite produire et la fréquence d’horloge choisie.
Sauf spécification contraire, les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


La réalisation pratique
Une fois qu’on a réalisé le circuit imprimé simple face (figure 2b), on monte tous les composants (commencez par les supports des circuits intégrés) en suivant les figures 2a et 3 et la liste des discomposants.
Évitez toute inversion de polarité et soignez bien les soudures.
Installez ensuite la petite platine dans un boîtier plastique adapté. Prévoyez un petit interrupteur M/A en face avant, une RCA ”cinch” de sortie du signal et une prise socle d’alimentation sur le panneau arrière. Pour l’alimentation, un bloc secteur 230 V fera l’affaire.

Figure 4 : Les formes d’ondes produites.

a

a) Signal présent sur la broche 5 de IC2 : on note les formes d’onde rectangulaires avec des durées différentes, de façon à produire les basses et les hautes fréquences.

b

b) Signal présent sur la broche 8 de IC2 : il est composé du signal de la broche 5 de IC2, mais avec un retard de treize étages, les deux signaux étant ensuite multipliés par la NAND IC3b.

c

c) Signal présent à la sortie de IC3c : c’est le signal qui se rapproche du bruit blanc, les différentes durées des signaux rectangulaires sont bien mises en évidence.

d

d) Signal présent à la sortie OUT : c’est le bruit rose, obtenu en filtrant le bruit blanc provenant de IC3c à travers le réseau R5 à R7/C5 à C7).

Le réglage et l’utilisation
Pour le réglage, calez le curseur de RV1 à mi-course, mettez le circuit sous tension, reliez la sortie RCA ”cinch” à l’entrée d’un analyseur de spectre BF et agissez sur RV1 pour obtenir la ligne la plus plate possible. L’application la plus fréquente de ce type d’appareil consiste à analyser les propriétés acoustiques d’un local : reliez un microphone à l’analyseur de spectre BF, reliez la sortie du générateur de bruit à l’entrée AUX de l’amplificateur et, en agissant sur les curseurs de l’égaliseur, cherchez à obtenir une ligne la plus plate possible.

1 commentaires:

  1. Bonjour, je suis trés interesser par ce circuit car je suis technicien son et je me sert du bruit rose pour "caler" les systemes de son. Par contre j'aurais aimer alimenter ce générateur avec l'alim phantom d'une table de mixage (48v)
    Donc mes deux questions sont:
    -Comment abaisser la tension "phantom"? Peu être avec plusieur régulateur a la suite... Mais ça en ferais trois a la suite.. Je pense qu'il y a une meilleure solution.
    -Pour le bruit rose quel composant je dois mettre ( je ne comprend pas trés bien cette histoire de fréquence d'horloge que l'on doit modifier je pense que je dois mettre C1= 680pF et ne pas mettre C2. Et mettre toutes les résistances)
    Merci pour vos réponses et pour cette recherche.

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