Beamforming : la solution intelligente pour les environnements acoustiquement complexes

Le beamforming désigne une technique de « formation de faisceau » basée sur le traitement numérique du signal, qui permet de contrôler précisément la direction de propagation du son. Cet effet s'obtient en utilisant plusieurs transducteurs – microphones ou enceintes – disposés en array, pour générer un faisceau sonore pouvant être orienté et sculpté. L'objectif est de concentrer le son dans une direction précise, de limiter les bruits issus de sources indésirables et d'améliorer l'intelligibilité de la parole dans des environnements bruyants ou réverbérants. Dans cet article, nous explorerons le sujet, avec un accent particulier sur son implémentation dans les enceintes de notre partenaire Harmonic Design.

La capacité à contrôler le schéma de dispersion des enceintes — c'est-à-dire la façon dont le son se propage dans l'espace depuis la source — a toujours fasciné les experts en électroacoustique et les ingénieurs du son. Avant la révolution numérique, toutefois, ce sujet était délicat à traiter à cause des limites intrinsèques des systèmes analogiques. En fait, le beamforming existe depuis des décennies, principalement dans des domaines autres que l’acoustique (notamment les radiofréquences), où il a été développé pour des applications militaires dès la Seconde Guerre mondiale.

En audio professionnel, les premières applications pratiques sont apparues il y a une dizaine d’années, visant à résoudre des problématiques historiques de renforcement sonore, en particulier dans des lieux fermés ou des environnements acoustiquement difficiles.

Comment fonctionne le beamforming et quels problèmes résout-il ?

Le principe clé de cette technologie est le délai de phase et la sommation des signaux émis par les enceintes de l’array. En appliquant des délais spécifiques aux signaux envoyés à chaque transducteur, les émissions combinées se renforcent dans la direction souhaitée tout en s’annulant ailleurs. Ceci peut être mis en œuvre à la fois dans le domaine temporel et fréquentiel.

 

Le beamforming peut être considéré comme une version avancée du beamsteering, une technique utilisée en acoustique pour contrôler la direction de l’émission sonore d’un array d’enceintes sans incliner physiquement les coffrets. Grâce au DSP, le beamsteering crée un lobe sonore orienté vers une zone cible. Toutefois, contrairement au beamforming, il ne permet pas de créer plusieurs faisceaux indépendants, de supprimer les lobes latéraux indésirables, ni d’obtenir un contrôle aussi précis du diagramme polaire résultant.

En permettant d’orienter un ou plusieurs faisceaux exactement là où il le faut, les techniques de beamforming offrent plusieurs avantages majeurs :

• Intelligibilité de la parole améliorée dans les environnements réverbérants, comme les églises, lieux de culte ou grandes pièces intérieures aux surfaces non traitées. Ces espaces présentent généralement de grands volumes, des hauteurs sous plafond élevées, des surfaces irrégulières et des matériaux durs et réfléchissants comme la pierre, le marbre ou le verre, ce qui génère une réverbération excessive qui nuit à la compréhension de la parole, notamment lorsque la source sonore est multiple.

• Réduction de la dispersion sonore vers les zones non pertinentes, garantissant que l’énergie n’est pas gaspillée là où elle n’est pas nécessaire.

• Ouverture de faisceau indépendante de la fréquence. Contrairement aux arrays conventionnels, qui deviennent plus directionnels à mesure que la fréquence augmente (générant ainsi un lobe large dans les basses fréquences et étroit dans les hautes), les systèmes de beamforming Harmonic Design maintiennent une dispersion verticale maîtrisée sur tout le spectre.

• Installations plus discrètes et épurées. Les enceintes peuvent rester fixes et partiellement intégrées, tandis que le traitement numérique du signal permet de rediriger les faisceaux à volonté.

La technologie de beamforming Harmonic Design

Introduite en 2016, la technologie de beamforming d’Harmonic Design permet de sculpter précisément la réponse polaire des enceintes, en concentrant le son exclusivement dans les zones réellement nécessaires.

Les enceintes colonne série HD Beam possèdent des coffrets ultra-compacts de seulement 80 mm de large, les rendant quasiment invisibles en installation fixe et représentant les modèles à beamforming les plus fins du marché. Leur élégant boîtier en aluminium thermolaqué et leur grille fine en acier leur permettent de s'intégrer harmonieusement à tout cadre architectural. Dotées d'une série de haut-parleurs large bande, elles évitent les déphasages inter-fréquences et assurent une couverture horizontale large et homogène. Le catalogue propose huit modèles, équipés de 8, 16, 24 ou 32 transducteurs (2" ou 3" selon le modèle) en configuration array.

Pour adapter chaque enceinte à son emplacement, une simulation préliminaire est requise pour ajuster les paramètres du faisceau. C’est pourquoi le logiciel hd LevelZ d’Harmonic Design intègre un outil de simulation complet. Cela permet à l’utilisateur de renseigner la hauteur, la profondeur et le positionnement de la salle, et de visualiser l’ouverture 2D du faisceau ainsi que les courbes SPL à différentes fréquences, jusqu’à obtenir la configuration optimale.

D’un point de vue technique, le beamforming Harmonic Design autorise un contrôle du lobe principal de diffusion vertical sur ±60° par incréments de 0,1°, et la création jusqu’à quatre faisceaux principaux distincts. La dispersion horizontale reste constante, proche de 100°.

Par ailleurs, l’algorithme propriétaire ADO (Advanced Directivity Optimization) supprime les lobes secondaires indésirables, renforçant encore la clarté de la parole même dans des environnements très réverbérants.

Voici quelques exemples d’orientation de faisceau à certains angles :

Faisceau à 0°

Faisceau à -7°

Faisceaux multiples à +5° / -23°

Cette technologie s’intègre parfaitement au protocole Dante pour la transmission audio sur IP et supporte des configurations modulaires jusqu’à 32 canaux DSP/amplification, rendant les enceintes hautement évolutives et personnalisables pour chaque cas de figure.

Perspectives

L’avenir du beamforming en audio professionnel s’annonce transformant, avec des applications toujours plus sophistiquées dans les installations fixes, théâtres, stades et lieux de culte, ainsi que pour certaines tournées (même si, pour l’instant, ce secteur est moins demandeur).

Au fur et à mesure que les DSP gagnent en puissance et que les coûts diminuent, les systèmes de beamforming deviennent de plus en plus accessibles et évolutifs.

À l’avenir, on s’attend à davantage d’intégration avec des protocoles comme Dante pour la transmission audio par IP, associés à des outils avancés de simulation acoustique et de contrôle à distance. Le beamforming deviendra ainsi de plus en plus « intelligent », capable de s’adapter dynamiquement aux environnements et aux publics, ouvrant la voie à des expériences sonores immersives, sur mesure.

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