Chenillard sonore 001

Présentation

Le système décrit ici permet de produire un effet sonore quelque peu particulier, en faisant tourner un son autour d'une personne par le biais de plusieurs haut-parleurs placés en cercle.



Son principe repose sur la distribution d'une source sonore mono vers un haut-parleur parmi plusieurs, de façon séquentielle, avec des transitions douces et sans heurt (sans cloc dans les HP). Le système proposé ici travaille avec des signaux audio asymétriques de niveau ligne (aux alentours de 0 dB, disons entre 100 mVeff et 1 Veff) et est prévu pour attaquer huit systèmes d'amplification (un amplificateur audio par HP), mais il peut sans problème être étendu à un nombre supérieur de diffuseurs sonores, ce point sera abordé plus loin.

Principe général de fonctionnement

Il existe plusieurs approches pour obtenir l'effet désiré, qui dans tous les cas consistent à atténuer plus ou moins fortement un signal audio sauf pour une des voies d'amplification, celle que l'on appellera voie active. On peut :

• soit utiliser des VCA (Voltage Controlled Amplifier, amplificateur commandé en tension);
• soit utiliser des optocoupleurs analogiques.

J'ai choisi les optocoupleurs pour leur coût de revient bien plus bas et pour leur plus grande facilité de mise en oeuvre. L'optocoupleur doit être de type "analogique", on ne peut pas utiliser un optocoupleur logique de type MCT2 ou un TIL11 par exemple.

Choix des optocoupleurs

Du côté analogique, on ne trouve pas beaucoup de références vraiment faites pour cet usage. On peut par exemple utiliser des optocoupleurs analogiques moulés de type NSL-32 (marque Adanced Photonic, anciennement Silonex) ou VTL5Cx.



Voici les modèles que j'ai trouvés chez Farnell, avec prix et commentaires perso.

Nota (1) : courant LED requis de 40 mA pour résistance Ron de 500 ohms. Temps de montée de 3,5 ms. Temps de relachement de 500 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 500 kO de Rmax.
Nota (2) : courant LED requis de 20 mA pour résistance Ron de 40 ohms. Temps de montée de 5 ms. Temps de relachement de 80 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 5 MO de Rmax.
Nota (3) : courant LED requis de 20 mA pour résistance Ron de 60 ohms, 150 mA pour 150 ohms. Temps de montée de 5 ms. Temps de relachement de 10 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 25 MO de Rmax.
Nota (4) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 600 ohms, 40 mA pour 200 ohms. Temps de montée de 2,5 ms. Temps de relachement de 35 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 50 MO de Rmax.
Nota (5) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 800 ohms, 40 mA pour 200 ohms. Temps de montée de 3,5 ms. Temps de relachement de 500 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 1 MO de Rmax.
Nota (6) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 5 ohms, 40 mA pour 1,5 ohm. Temps de montée de 2,5 ms. Temps de relachement de 35 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 10 MO de Rmax.
Nota (7) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 125 ohms, 40 mA pour 75 ohm. Temps de montée de 6 ms. Temps de relachement de 1500 ms pour atteindre 100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes nécessaires pour retrouver les 400 MO de Rmax.

Remarques sur les "défauts" des optocoupleurs analogiques

Les optocoupleurs dénoncés ci-avant présentent la particularité de posséder un temps de recouvrement long, et pour certains il faut mettre le paquet de courant pour bénéficier d'une résistance Ron (Rmin) vraiment faible. Mais dans l'application de chenillard sonore qui nous concerne ici, il est deux points qui présentent moins d'importance que pour une application audio plus critique :

• la dynamique permise par le rapport entre résistance max (source lumineuse éteinte) et min (source lumineuse allumée). L'optocoupleur NSL-32 par exemple présente un rapport de 1000 entre Rmin et Rmax, ce qui peut laisser supposer qu'on aura droit à une dynamique de 60 dB une fois mis en circuit. Cela me semble bien suffisant pour faire la distinction entre un HP qui émet quelque chose et d'autres qui restent "muets" (il ne le sont en fait pas entièrement mais le niveau est tellement faible par rapport au HP actif qu'on peut les considérer comme tels). A noter que ce rapport de 1000 (60 dB) correspond à l'usage d'un seul optocoupleur par voie. En ajoutant un deuxième optocoupleur sur chaque voie, le taux de réjection en mode OFF peut grimper à plus d'un million (en théorie tout du moins, en pratique on peut espérer entre 80 dB et 100 dB, ce qui est excellent). 
• le temps de recouvrement après extinction de la source lumineuse. Si dans certaines applications (tel que compresseur de dynamique audio) ce point est très important, ici on peut tourner cette faiblesse en avantage. Qu'importe en effet si le son décroit progressivement et non pas d'un seul coup une fois qu'on passe à la voie d'amplification suivante ? N'est-ce pas justement ce que nous cherchons ?

Ceci pour dire que dans la pratique, le "moins bon" des optocoupleurs précités devrait très bien convenir à notre affaire. Je pars donc sur l'idée qu'on peut faire confiance au NSL-32 (le moins cher de tous) pour nous apporter satisfaction, même si dans d'autres projets, j'ai eu tendance à préférer le NSL32-SR3.

Faire soi-même ses optocoupleurs ?

Oui, pourquoi pas ! J'ai proposé quelques références d'optocoupleurs clé en main mais rien ne vous empêche de mettre en regard une LED et une cellule LDR. Je serais vous, j'essaierais avec une LED blanche haute luminosité (HL) et une LDR dont la résistance en éclairement est faible (max 1 kO) et dont la résistance en obscurité est forte (min 1 MO). Il existe pas mal de références de photorésistances, vous pouvez outre les célèbres LDR03, LDR05 ou LDR07, regarder ce qui se fait côté "Silonex" (nom d'un fabricant chez qui on trouve des LDR à 0,50 euros). Si vous les faites vous-même, n'oubliez pas de mettre chaque optocoupleur à l'abri de la lumière ambiante et de son voisin.

Et pourquoi pas des portes analogiques style CD4016 ou CD4066 ?

Oui, pourquoi pas, on pourrait utiliser de tels circuits comme cela a été fait pour le commutateur audio 001. On pourrait aussi envisager l'emploi de transistors FET, comme déjà vu dans le commutateur audio 012. Pour ce montage de chenillard sonore, je me suis dit qu'il fallait tenter autre chose - que je n'avais pas encore fait de façon "officielle". Mais bien sûr, libre à vous d'utiliser le mode de commutation qui vous séduit le plus, en apportant quelques modifications si cela s'avère nécessaire. Mon but n'est pas de vous dicter une façon de faire, mais de donner des idées, en espérant que ces dernières puissent à leur tour en faire naître de nouvelles dans votre esprit.

Schéma

Le schéma complet se compose de deux parties bien distinctes : le circuit séquenceur à base de NE555 et CD4017 (partie verticale gauche du schéma), et le circuit de commutation analogique avec ses optocoupleurs analogiques (partie verticale droite du schéma, à partir des diodes D2 à D9).

Section séquenceur

On retrouve ici ce qui a fait le succès du chenillard 001 et de ses petits et grands frères. Un circuit intégré "timer" de type NE555 (U1) produit sur sa broche 3 un signal rectangulaire périodique dont la fréquence (vitesse) dépend de la position de l'axe du potentiomètre RV1 - en plus de dépendre de la valeur des autres composants qui y sont attachés, à savoir C1, R1 et R2. La LED D1 câblée en série avec R3 marque chaque nouvelle impulsion par un petit flash lumineux. Cette LED indique donc directement la vitesse des commutations successives des voies analogiques. La sortie 3 de U1/NE555 ne se contente pas de faire clignoter la LED D1. Elle est également utilisée pour fournir ses impulsions de séquencement au compteur décimal U2/CD4017, via sa broche 14 d'entrée d'horloge (CLK = Clock = horloge). Les huit premières sorties du CD4017 (Q0 à Q7) pilotent la circuiterie des commutateurs analogiques que nous verrons bientôt. La neuvième sortie Q8 (broche 9) est rebouclée sur l'entrée de remise à zéro MR (broche 15), de telle sorte que quand la huitième sortie Q7 a fini de travailler, on revient aussitôt à la première sortie Q0, sans tenir compte des deux dernières sorties Q8 et Q9 qui dans le cas présent ne nous intéressent pas.

Section commutations analogiques

Ah, le plus intéressant... Si vous avez déjà analysé un peu le schéma, vous aurez constaté qu'il y a quelques composants additionnels entre les sorties Q0 à Q7 du CD4017 et les entrées LED de chaque optocoupleur. Ceci pour deux raisons :

• les transistors Q1 à Q8 permettent de disposer d'un courant suffisant pour attaquer les optocoupleurs. Le CD4017 est un circuit CMOS qui est tout à fait capable d'allumer des LED récentes qui ne réclament que quelques mA, mais même sous une tension d'alimentation générale de 12 V, le courant de sortie qu'on peut en espérer ne suffira pas pour profiter pleinement de la résistance la plus basse possible de la cellule photorésistante incluse dans les optocoupleurs (pour certains modèles il faut 40 mA d'attaque au niveau de la LED, c'est ce qu'on a vu avant). Ces transistors permettent donc tout simplement de disposer d'un courant d'attaque suffisant, ils sont montés en suiveur de tension (collecteur commun) et non en bêtes commutateurs tout ou rien, nous verrons bientôt pourquoi.
• on peut avoir envie de créer une "trainée auditive" quand on passe d'un haut-parleur au suivant. Dans tous les cas la commutation de l'un à l'autre se fait sans heurt, mais il peut être intéressant, surtout si le son tourne lentement autour de l'auditeur, de disposer d'un affaiblissement moyennement lent au niveau des HP qui passent à l'état inactif. Les quelques composants situés entre chaque sortie du CD4017 et le transistor qui lui correspond (D2, C3 et R4 pour la première voie, D3, C4 et R6 pour la seconde voie, etc) permettent une mémorisation de l'état actif avec un relâchement progressif. C'est exactement le même principe qui a été adopté pour mon chenillard lumineux 005 qui produit un effet "queue de comète". La constante de temps d'extinction du son pour chaque voie dépend de la valeur donnée au réseau RC situé juste après la diode (C3 et R4 pour la première voie, C4 et R6 pour la seconde voie, etc). Plus la valeur de ces composants est faible et plus le son s'éteindra rapidement. Avec les valeurs proposées ici, le temps d'extinction est compris entre 3 et 5 secondes environ, il dépend aussi des optocoupleurs utilisés. Il faut faire des essais pour trouver les valeurs qui correspondent à l'effet recherché. Les transistors Q1 et Q8 sont montés en suiveurs de tension pour que les LED des optocoupleurs voient une tension descendre progressivement et non pas de façon abrupte.

L'humain curieux que vous êtes aura écarquillé aussi fort qu'il le peut ses yeux, en constatant qu'il n'y a aucune résistance de limitation de courant entre les émettteurs des transistors de commande Q1 à Q8 et les LED des optocoupleurs qui leur sont raccordées. Sacrilège, au fou ! Pas de panique, une petite précaution a été prise de ce côté, qui prend la forme d'un limiteur de courant construit sur une base de régulateur de tension intégré 78L05 (U11, régulateur de tension positif 5 V). La résistance RX détermine le courant max qui peut circuler dans l'ensemble des optocoupleurs, il est ici limité à 22 mA (RX = 220 ohms). Cette curieuse approche vous permet d'adapter le courant dans les LED des optocoupleurs en changeant une seule résistance et non huit. Bien sûr il n'y a rien d'obligatoire dans cette façon de faire, et rien ne vous interdit de jeter U11 et RX puis d'ajouter une résistance en série avec chaque LED d'optocoupleur.

Calcul des niveaux en sortie des optocoupleurs

Les quelques lignes qui suivent donnent une idée du taux d'affaiblissement entre le signal audio qui entre sur le connecteur d'entrée J2 et celui qui ressort sur un connecteur de sortie (J3 pour la première voie, J4 pour la seconde voie, etc), quand la cellule photorésistive de l'optocoupleur est à sa valeur min ou à sa valeur max.

• Point de départ : Vin = 1 V et R5, R7, ..., R17 et R19 = 47 kO
  si opto = NSL-32, alors VsMax = 1 x 47000 / (47000 + 500) = 0,998 V et VsMin = 1 x 47000 / (47000 + 500000) =  0,086 V (rapport 11,6 soit environ 20 dB)
  si opto = NSL-32SR2, alors VsMax = 1 x 47000 / (47000 + 40) = 0,999 V et VsMin = 1 x 47000 / (47000 + 5000000) =  0,009 V (rapport 111 soit environ 40 dB)
• Point de départ : Vin = 1 V et R5, R7, ..., R17 et R19 = 4,7 kO
  si opto = NSL-32, alors VsMax = 1 x 4700 / (4700 + 500) = 0,903 V et VsMin = 1 x 4700 / (4700 + 500000) =  0,009 V (rapport 97 soit environ 40 dB)
  si opto = NSL-32SR2, alors VsMax = 1 x 4700 / (4700 + 40) = 0,991 V et VsMin = 1 x 4700 / (4700 + 5000000) =  0,0009 V (rapport 1050 soit environ 60 dB)

Au vu de ces calculs vite faits, on en déduit rapidement qu'il vaut mieux à priori utiliser un NSL-32SR2 plutôt qu'un NSL-32, mais que ce dernier peut tout de même convenir. Après tout, 40 dB d'atténuation ce n'est pas si mal que ça.

Plus de 8 haut-parleurs ?

Le principe adopté ici permet en théorie de disposer d'autant de voies analogique qu'on le désire. Bien sûr en pratique cela va surement nécessiter quelques adaptations du côté des optocoupleurs, mais qui ne tente rien n'a rien. Pour disposer d'un séquencement sur 10 voies, 16 voies ou plus, jetez donc un oeil sur mes schémas de chenillards lumineux, histoire de voir comment tourne leur mécanique.

Prototype

Réalisé en partie, avec 4 optocoupleurs NSL32-SR3.



Optimiste comme je suis et après les petits tests réalisés, j'aurais tendance à penser que ce montage est susceptible de fonctionner. A vous maintenant de jouer, et de me faire un compte-rendu détaillé de tous les problèmes que vous aurez rencontrés. Et tant que vous y êtes - et dans l'hypothèse où vous avez la moindre compassion pour mon pauvre cerveau fatigué - pensez à noter les corrections dans votre compte-rendu...

Circuit imprimé

Non réalisé.

Historique

30/10/2011
- Première mise à disposition.