Cas utilisateurs

Établir le standard d’excellence pour l’audio immersif dans les jeux en réalité virtuelle

Tectonic Audio Labs a conçu un haut-parleur de type radiateur à large bande (BMR) de haute technologie, en utilisant des simulations électromagnétiques, mécaniques et acoustiques. Le haut-parleur a été intégré dans un casque de réalité virtuelle (VR) pour Valve Corporation. Il est maintenant considéré comme la référence en matière d’immersion audio pour la VR.

Par Julia Abrams
Octobre 2020

La réalité virtuelle permet d'immerger l'utilisateur dans un monde virtuel en lui donnant l'impression de vivre une expérience réelle. Lorsque la VR est bien conçue, vous pouvez visiter un site historique depuis votre canapé ou explorer Mars et la Lune depuis le confort de votre salon.

L'industrie du jeu progresse rapidement dans le développement de la VR, mais un des défis que les développeurs de jeux rencontrent est de savoir comment obtenir efficacement la suspension de l'incrédulité dans le monde virtuel.

Que vous utilisiez la VR pour étudier un astéroïde s'approchant de la Terre ou pour jouer à un jeu dans lequel vous devez tirer des missiles sur ce dernier, plus l'expérience est immersive, plus elle est réussie. D'autres domaines comme la littérature et le cinéma sont confrontés à ce même défi, mais il y a quelque chose de propre à la VR : l'immersion audio.

Obtenir une immersion audio grâce au casque Valve Index®

Valve Corporation, un des principaux développeurs de l'industrie du jeu, qui conçoit des jeux vidéo, des plates-formes et du matériel de jeu, a cherché à développer le casque Valve Index® VR permettant cette suspension d'incrédulité. Pour cela, Emily Ridgway, ingénieure chez Valve et son équipe ont dû trouver un moyen de créer une expérience audio immersive.

Lorsque l'on joue à des jeux vidéo, il est fréquent d’utiliser un casque stéréo pour déterminer la provenance du son par rapport à la position de son personnage dans le jeu. Si la source est à gauche du personnage, le joueur entendra le son par le haut-parleur gauche du casque, et vice versa. L'équipe de Valve a décidé de ne pas utiliser de casques traditionnels, car ils sont conçus pour isoler le son, annuler les bruits et exagérer les réponses en fréquence — et non pour créer une immersion audio. Mme Ridgway craignait que la conception physique même des casques n'aille à l'encontre de l'immersion audio. En effet, les casques diffusent le son directement dans le canal auditif (connu sous le nom de source auditive internalisée), si bien que le son peut être perçu comme provenant de l'intérieur de la tête ou " non réel." De plus, ils peuvent être inconfortables et détourner l'utilisateur de son expérience de jeu.

Certaines personnes optent donc pour des haut-parleurs plutôt que pour un casque. Bien que les haut-parleurs permettent d'atténuer certains inconvénients, ils présentent néanmoins leurs propres problématiques. Par exemple, leur son est affecté par la géométrie et l'acoustique de la pièce. En outre, ils ont un "sweet spot" dans lequel le joueur doit rester s’il souhaite avoir la meilleure qualité sonore. Or, lorsque les gens utilisent la VR, ils ont tendance à se déplacer.

La solution de Mme Ridgway a été de proposer une paire d'écouteurs extra-auriculaires à champ ultra-proche et à large bande.

Mme Ridgway et son équipe ont étudié plusieurs types de haut-parleurs pour casque. Aucun ne correspondait vraiment à leurs objectifs, jusqu'à ce qu'ils découvrent les haut-parleurs à radiateur à large bande (BMR) de Tectonic Audio Lab. Mme Ridgway a "immédiatement remarqué plusieurs avantages," explique-t-elle dans un blog. "Ils ont réduit la coloration due au mauvais positionnement du haut-parleur et leur poids était proche du critère fixé. Ils ont une excellente réponse en fréquence dans les hauts médiums (important pour les simulations binaurales) et sont beaucoup plus fins que les haut-parleurs traditionnels." Valve s'est alors associée à Tectonic Audio Labs pour bénéficier de ces avantages et concevoir des haut-parleurs personnalisés pour leur casque VR.

La technologie des haut-parleurs BMR

Dans les haut-parleurs traditionnels, le son est généré par un diaphragme conique se déplaçant de façon pistonique. Ce mouvement transfère l'énergie le long de l'axe et crée le son. Les haut-parleurs BMR utilisent des ondes de flexion : des ondes qui se déplacent perpendiculairement à leur direction de propagation. Cela signifie qu'elles ont plus d'interaction avec l'air ambiant et qu'elles peuvent donc transférer plus d'énergie. Les hautes fréquences peuvent être difficiles à gérer pour les haut-parleurs traditionnels, car elles peuvent provoquer une ondulation ou une flexion du diaphragme, également connue sous le nom de rupture du cône. Les crêtes et les creux qui en résultent diminuent la qualité audio et augmentent la sensibilité au placement. Alors que la plupart des haut-parleurs tentent d'éviter ces ondes de flexion, BMR les adopte.

"Nous adoptons les modes de flexion et nous voulons qu'ils se produisent. Nous pouvons contrôler l'endroit où ils apparaissent, et ce sont eux qui préservent la sortie hors axe. Nous utilisons la rupture de résonance à notre avantage," déclare Tim Whitwell, vice-président de l’ingénierie chez Tectonic Audio. "À bien des égards, le BMR va à l'encontre de la pensée de l'ingénierie acoustique traditionnelle."

La technologie BMR est capable d'exploiter cette ondulation à haute fréquence grâce à l'optimisation de plusieurs caractéristiques, telles que la sélection des matériaux et le chargement. Grâce à cette exploitation des modes de flexion et à la superposition avec les modes piston, le son se propage de manière homogène dans le haut-parleur.

Créer la référence absolue

L'équipe de Tectonic Audio Labs a travaillé sur les haut-parleurs du casque Valve Index® VR. "Pour nous, le point de départ a été d'analyser la structure modale du diaphragme," explique M. Whitwell. "Ce qui est important avec le BMR, c'est de s'assurer que le comportement modal de flexion commence au moment où le comportement du piston se met à changer" ce qui "remplit" la sortie hors axe que le faisceau néglige.

Afin d'optimiser ce comportement, l'équipe de Tectonic a d'abord dû déterminer à quel endroit du disque le comportement modal de flexion se produit et combien de modes apparaissent sur l’ensemble de la bande fréquentielle. Ils ont utilisé le logiciel COMSOL Multiphysics^® pour effectuer une analyse de fréquences propres. À partir de là, l'équipe a pu contrôler les modes de flexion en optimisant l'épaisseur et les matériaux du disque. En s'assurant que ce comportement se produit précisément à l'endroit et au moment voulus, Tectonic Audio est en mesure de préserver la directivité étendue du haut-parleur sur toute la gamme.

Tectonic a également analysé la conception du moteur, en effectuant une analyse électromagnétique pour optimiser la bobine mobile. "Vous pouvez ajouter de nombreux tours à la bobine pour augmenter la conversion d'énergie électromagnétique en énergie mécanique, mais le poids augmente, et vous avez des contraintes opposées," développe M. Whitwell. "Toute cette optimisation est réalisée avec COMSOL^®."

Les modèles mécaniques et électromagnétiques ont été optimisés séparément. L'étape suivante pour Tectonic Audio Lab a été de réunir les deux modèles pour une analyse couplée. Comme presque tout dans le modèle est axisymétrique, les ingénieurs ont pu modéliser le couplage dans un espace 2D axisymétrique, économisant ainsi des ressources informatiques. Le matériau du diaphragme est l’exception. "Le matériau du diaphragme lui-même est en fait orthotrope ; il a différentes rigidités dans différentes directions," précise M. Whitwell. "L'interface Solid Mechanics de COMSOL Multiphysics^® nous permet de modéliser la nature orthotrope du matériau dans l'espace 2D axisymétrique, ce qui est vraiment fantastique."

Après avoir développé le modèle entièrement couplé, l'équipe a introduit d'autres éléments, comme la suspension, qui permet de centrer la bobine et de contrôler son mouvement. Parallèlement, ils ont continué à optimiser le modèle entièrement couplé pour s'assurer que le comportement du diaphragme soit équilibré — ce qui est la clé de la technologie BMR. En effet, cela lui permet de fonctionner correctement dans le casque Valve Index® VR et d'offrir une excellente expérience aux différents utilisateurs.

Une fois que les haut-parleurs sont parfaitement réglés, l’étape suivante porte sur l’étude de leur suspension, et notamment sa géométrie, analysée dans le cadre d’une étude non-linéaire. "Nous déformons la géométrie de la suspension de haut en bas, pour voir comment la rigidité de ces composants change avec le déplacement," ajoute M. Whitwell. "Et là encore, il y a beaucoup d'optimisation indispensable à réaliser." M. Whitwell souligne "Tout bruit dans l'unité d'entraînement ou toute distorsion serait perceptible pour l'auditeur." Une fois la suspension entièrement optimisée, elle est réintégrée dans le modèle couplé.

"Nous nous assurons que tous les éléments permettent d’atteindre les performances que nous souhaitons, et ensuite nous pouvons créer un prototype," explique M. Whitwell.

Le "roi" des casques de VR

Après le succès de l'optimisation de la conception et du prototypage de Tectonic Audio Lab, Valve Corporation a pu commercialiser son casque. Depuis sa mise sur le marché, ce dernier a reçu de nombreux avis positifs.

Citons en exemple la chaîne YouTube très populaire Linus Tech Tips, créée par le célèbre Linus, abordant des sujets divers et variés sur la technologie, et passant en revue différents équipements.

En août 2019, dans une vidéo intitulée "Maybe VR isn't dead after all..." (Peut-être que la VR n'est pas morte après tout...), Linus teste le casque Valve Index®. Il est généralement ambivalent concernant les haut-parleurs, mais après une journée d'utilisation du casque, Linus se dit impressionné par celui-ci.

"Le mérite revient aux haut-parleurs," déclare-t-il. "Le son est incroyablement bon !" Linus passe ensuite le reste de la vidéo à examiner les caractéristiques du casque.

À la fin de la vidéo, Linus brandit le casque Valve Index® et conclut en disant : "C'est incontestablement le roi des casques pour les jeux de VR."