Réduction de bruit active, passive, adaptative… qu’est-ce que l’ANC et comment fonctionne-t-elle ?

 

Écouter de la musique dans les transports en commun, sans être dérangé par les bruits environnants et même plongé dans une bulle de calme, voilà ce que proposent les systèmes de réduction de bruit active. Si tous les casques et écouteurs ne se valent pas, c’est qu’il existe plusieurs types d’ANC et que le procédé est complexe. Voici pourquoi.

Le casque Bluetooth avec ANC Sony WH-1000XM5. // Source : Sony.

C’est un fait, tous les écouteurs et casques audio isolent passivement des bruits ambiants. Mais pas suffisamment pour préserver la qualité du son diffusé, ni prodiguer à l’auditeur un réel confort lorsqu’il se déplace à l’extérieur. Certes, le simple fait pour un casque de recouvrir les oreilles ou, pour des écouteurs, de s’engager dans le canal auditif, suffit à empêcher certains sons d’arriver jusqu’aux tympans. C’est ce qu’on qualifie d’isolation passive, ou de réduction de bruit passive.

Mais ce sont essentiellement les sons les plus aigus, dont l’énergie est insuffisante pour traverser le casque, qui sont ainsi bloqués. En revanche, les sons les plus graves parviennent sans mal jusqu’aux oreilles, se mélangent à la musique et la rendent moins intelligible. En outre, les basses fréquences des sons environnant annulent bien souvent, au moins partiellement, celles de la musique, ce qui altère énormément l’expérience d’écoute et provoque vite de la fatigue auditive.

À quoi sert la réduction de bruit active ?

L’Active Noise Cancellation (ANC) ou réduction de bruit active, est une technologie intégrée à certains casques et écouteurs Bluetooth, qui permet de réduire ou d’annuler complètement certains bruits parasites autour de l’auditeur, afin d’améliorer les conditions d’écoute.

Mesure de réduction de bruit des Sony WF-1000XM4
Réduction de bruit des écouteurs Sony WF-1000XM4 (en rouge la courbe atténuée) // Source : Frandroid

L’ANC est particulièrement précieuse à l’extérieur, dans les lieux bondés de foule ou de véhicules, ainsi que dans les transports en commun, avion et train en tête.

La réduction de bruit active, ça fonctionne vraiment ?

Tous les écouteurs sans fil ou casques Bluetooth ne disposent pas d’un système de réduction active des bruits, mais ceux qui la proposent offrent un confort d’écoute souvent saisissant et parfois exceptionnel. Il faut dire que, d’un modèle à l’autre, la réduction de bruit active fonctionne plus ou moins efficacement, pour des raisons que nous allons expliquer. Les systèmes d’ANC les plus performants plongent véritablement l’auditeur dans une bulle de calme, où ne filtrent que quelques sons ambiants, feutrés à l’extrême et aisément éclipsés par la musique écoutée.

Comment fonctionne la réduction de bruit active ?

Les premiers écouteurs et casques Bluetooth à réduction de bruit active sont apparus sur le marché il y a une dizaine d’années environ, à la faveur des progrès accomplis en matière de miniaturisation des amplificateurs audio et de puissance de calcul. Pourtant, les recherches sur la réduction des bruits ont débuté dans les années 1950, initialement pour améliorer le confort des pilotes d’avion. En France, l’entreprise Multimoteurs se voit ainsi confier par Dassault la mission de créer un dispositif capable de capturer les sons graves dans les cockpits de ses aéronefs. Le dispositif mis au point est alors entièrement passif : il s’agit d’une boîte dans laquelle se trouve un tube résonateur qui lorsqu’il entre en vibration sous l’action des bruits de l’avion, émet un son « inversé » qui annule une partie du bruit ambiant. Pour la petite histoire, Multimoteurs est devenue quelques années plus tard Elipson, un fabricant d’enceintes acoustiques légendaires.

Le fonctionnement de la réduction de bruit active // Source : Mxa.rn CC BY-SA 4.0

Mais revenons à nos moutons, la réduction de bruit active dans un casque fonctionne un peu différemment tout de même, au moyen de microphones, d’un processeur et avec le concours des transducteurs. Pour autant, le principe est le même : les sons venant de l’extérieur sont captés, analysés puis diffusés en sens rigoureusement inverse. Ils se mélangent alors aux bruits qui traversent les oreillettes du casque, pour être annulés juste à l’entrée de l’oreille. Tout cela n’a rien de magique, ni de fumeux et relève de la mécanique des fluides.

Lorsqu’en mer deux vagues se rencontrent frontalement, elles se neutralisent partiellement ou totalement si leur énergie est égale. Il en va de même dans l’air pour les ondes sonores.

Tout l’enjeu de la réduction de bruit active est de mesurer finement le sens de propagation bruits environnants, de 0 à 360° et pour les 20 000 fréquences du spectre audible… plusieurs centaines voire milliers de fois chaque seconde. Concrètement, un son gênant à 100 Hz arrivant au microphone avec un angle de 0°, est reproduit via les transducteurs avec une intensité équivalente et un angle de 180°. Au creux de l’oreille, les deux fréquences de 100 Hz se rencontrent, s’annulent et le bruit est éliminé.

Pourquoi certaines ANC sont très performantes et d’autres moins ?

De façon évidente, la qualité des microphones influence les performances globales de l’ANC. Une mauvaise captation entraîne nécessairement la diffusion de son inversés moins efficaces. Le rôle du processeur associé aux microphones est également crucial, car il doit numériser les sons parasites, déterminer quels sont les plus gênants, et, pour les écouteurs les plus sophistiqués, vérifier et corriger la précision des sons inversés diffusés par les transducteurs. Et tout cela doit être effectué en temps réel, ou tout du moins sans défaut perceptible.

Apple AirPods Max
Le casque Apple AirPods Max dispose d’une ANC performante // Source : Arnaud Gelineau – Frandroid

Enfin, les performances des transducteurs impactent l’efficacité de l’ANC. Ils doivent être capables de produire un fort volume de basses fréquences, mais aussi être précis dans les sons aigus. Or, les transducteurs puissants dans le grave sont par définition moins alertes dans le médium et l’aigu, car leur membrane est plus épaisse et lourde. Bref, il y a un équilibre complexe à trouver entre microphones, processeur et transducteurs.

Les trois grandes technologies de réduction de bruit active

Il existe trois types de réduction de bruit avec des fonctionnements et des résultats différents, selon que les microphones sont situés à l’extérieur de l’oreille, à l’intérieur ou bien des deux côtés.

L’ANC feedforward

Dans ce système d’ANC, les microphones sont installés à l’extérieur et captent directement les sons parasites, qui sont numérisés, inversés, convertis en analogique et diffusés par les transducteurs. Ce système est imparfait car les sons captés à l’extérieur ne sont évidemment pas ceux qui arrivent aux oreilles de l’auditeur. Les matériaux du casque et la forme de l’oreille de chaque utilisateur modifient les sons à réduire, d’une manière qu’il est très compliqué de modéliser.

L’ANC feedforward produit typiquement un phénomène d’aspiration des tympans, particulièrement marqué sur les écouteurs et casques de premières générations, lié à l’intensité trop élevée des basses fréquences inversées.

L’ANC feedback

Dans ce système, les microphones sont installés à l’intérieur du casque et mesurent les bruits parasites qui arrivent réellement jusqu’à l’oreille. Le bruit inversé généré est donc bien plus précis. Mais l’ANC feedback se heurte à un écueil important : la musique émise par les transducteurs est inévitablement captée et le processeur embarqué doit donc faire le tri entre le signal musical — à ne surtout pas annuler — et les bruits gênants.

Les écouteurs Sony WF-1000XM4 ont une ANC performante // Source : Frandroid

L’ANC feedback est également imparfaite et les écouteurs et casques l’utilisant sont ceux qui colorent le plus le son lorsque le système est actif.

L’ANC hybride

C’est la plus évoluée des réductions de bruit active. L’ANC hybride combine les techniques feedforward et feedback. Les microphones internes sont utilisés pour vérifier que les sons captés par les microphones externes sont réduits convenablement. Si ce n’est pas le cas, l’intensité du son inversé est augmentée et l’angle de phase ajusté. Cette technologie est plus complexe à mettre au point et nécessite une forte puissance de calcul. De fait, les casques et écouteurs qui l’utilisent sont les plus onéreux.

L’ANC hybride est actuellement la réduction de bruit active la plus performante.

La réduction de bruit active dégrade-t-elle la qualité audio ?

Par essence, les systèmes de réduction de bruit active détériorent le son diffusé. Lorsqu’on injecte les fréquences des bruits environnant en inversion de phase, lesquelles fréquences se trouvent inévitablement aussi dans le signal musical, on diminue nécessairement l’intensité de certains sons dans la musique écoutée, voire leur phase ce qui modifie un peu la scène sonore.

Dans le grave, ce n’est pas très gênant, car notre oreille est peu sensible aux fines variations des basses fréquences. Dans le médium en revanche, c’est potentiellement gênant car l’oreille humaine est excessivement sensible à ces fréquences. Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si la plupart des système de réduction de bruit active cessent de fonctionner au-delà de 1000 Hz.

Apple AirPods Pro 2
Les excellents Apple AirPods Pro 2 // Source : Tristan Jacquel pour Frandroid

Mais ce n’est pas tout… Le fonctionnement des transducteurs est considérablement perturbé par l’ANC, qui leur fait produire des sons graves parfois de très forte intensité (notamment en avion ou dans le métro). Or, dans ces conditions, la membrane se déplace excessivement et perd sa précision dans le médium et l’aigu.

Qu’est-ce que la réduction de bruit active adaptative ?

Par définition, tous les systèmes de réduction de bruit active s’adaptent aux conditions de bruit ambiant. Toutefois, certains fabricants mettent en avant une technologie adaptative de leur ANC. Il s’agit en réalité d’un niveau d’intensité variable, souvent à trois paliers, qui peut être choisi par l’utilisateur dans l’application mobile de contrôle d’un casque ou d’écouteurs, ou bien automatiquement.

Cette réduction adaptative permet essentiellement de réduire la consommation du casque et de préserver son autonomie. En choisissant soi-même le niveau d’ANC, on peut réduire son impact sur la qualité sonore.

Quels sont les meilleurs écouteurs et casques à réduction de bruit

Certaines marques se sont spécialisées dans la réduction de bruit active, au point que leurs casques et écouteurs sont parfois utilisés pour s’isoler du brouhaha d’un train ou d’un avion.

C’est le cas de Bose par exemple, avec les écouteurs Bose QuietComfort Earbuds II, par ailleurs très bons acoustiquement. Sony n’est pas en reste avec les Sony WF-1000XM4, tandis qu’Apple avec ses AirPods Pro 2 propose un rapport ANC/musicalité époustouflant.

Quant aux casques, les Bose Headphones 700, Sony WH-1000XM5 et Apple AirPods Max sont hautement recommandables.


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