Le b.a.-ba des notebooks : Concevoir un système audio efficace

By Notebookcheck |
Cet article a été rédigé par Notebookcheck
Pour votre plaisir d'écoute
À la différence de ce qu’ils font avec les ordinateurs de bureau, les fabricants d’ordinateurs portables doivent prendre en compte à la fois la qualité des haut-parleurs intégrés à l’appareil et celle de la sortie audio. Dans cet article, nous allons étudier divers aspects des haut-parleurs de notebook et de la sortie audio, en incluant les éléments physiques et électriques, ainsi que les améliorations logicielles qui aident à améliorer l’expérience audio. Nous allons illustrer ces concepts en prenant l’exemple de l’intégration audio des portables MSI (article sponsorisé).
 
GE75 Raider 9SG
Placement des caissons de basses et des haut-parleurs médiums dans le MSI GE75 Raider 9SG

Introduction

Les haut-parleurs sont souvent laissés de côté lors de l’étude des caractéristiques au moment de l’achat d’un portable, les éléments pris en compte en premier étant en effet le processeur, la carte graphique, la RAM, le stockage et la qualité d’écran. La plupart des fabricants de portables proposent des appareils avec de petits haut-parleurs médiocres, sachant que les utilisateurs utiliseront des écouteurs ou des enceintes, qu’ils soient filaires ou sans-fil. Les utilisateurs avertis vont même jusqu’à utiliser un amplificateur ou un DAC USB pour avoir un son plus clair que ce que le système audio embarqué peut fournir.
 
Plusieurs raisons participent au fait d’avoir des haut-parleurs médiocres dans un notebook, la première étant de baisser les coûts. Les fabricants ont tendance à réduire le coût du développement de bons haut-parleurs afin de favoriser d’autres composants qui ont plus tendance à impacter la décision d’achat. Le manque de place en est une autre. Dans la course sans fin à la finesse, il devient plus que difficile d’avoir un système audio de qualité dans les châssis actuels de portables.
 
Les lecteurs de Notebookcheck savent que nous testons également la qualité audio dans nos tests, pour avoir une idée de la gamme de fréquences couverte par les haut-parleurs intégrés aux portables. Dans cet article, nous allons voir comment sont conçus et fonctionnent les haut-parleurs pour notebooks. Nous verrons également ce qui fait une bonne qualité sonore sur des écouteurs, ainsi que certaines des améliorations logicielles qui accompagnent les éléments physiques. Nous illustrerons cela en prenant en exemple les notebooks gaming MSI.
 
N'hésitez pas à aller lire notre premier article Notebooks 101 :

Conception des haut-parleurs internes

Pour profiter d'une meilleure qualité audio, il est possible d'utiliser des écouteurs ou des haut-parleurs externes, mais les haut-parleurs intégrés restent tout de même des éléments assez importants lors de la conception du notebook. Des facteurs tels que leur taille ou leur placement, leur type, la conception de leur circuit et leur réponse en fréquence jouent un grand rôle. Voyons tout cela de plus près
 

Choix de la taille du haut-parleur et de son emplacement

La firme danoise Dynaudio fournit ce qui fait partie des technologies acoustiques les plus avancées au monde, pour une grande variété d’usages. En effet, les haut-parleurs Dynaudio fournissent une reproduction des sons plus naturelle que les haut-parleurs traditionnels. MSI travaille depuis 2009 pour améliorer l’expérience audio sur ses notebooks gaming et cette collaboration aide à choisir les haut-parleurs et leur emplacement durant la phase même de conception.
 
Deciding on speaker size and placement
La taille et le placement des haut-parleurs sont décidés au moment même de la conception du notebook (image : MSI).
 
Dynaudio intervient très tôt dans la conception des haut-parleurs. Comme nous le voyons dans la photo jointe, la taille et la position des haut-parleurs sont prises en compte dès le plan de conception. Parmi les facteurs importants à considérer lors du choix de la taille et du placement des haut-parleurs, on retrouve la balance, la résonance, et l’amplitude pour les vibrations. Les ingénieurs Dynaudio vérifient le positionnement des haut-parleurs et l’organisation du circuit et donnent leurs préconisations, d’abord testées sur des prototypes avant qu’un choix final soit effectué pour la production de masse. Un portable possède un espace limité pour que les haut-parleurs puissent pousser l’air, ce qui affecte directement la réponse en fréquence. De ce fait, l’espace disponible doit être utilisé au maximum pour obtenir un résultat réussi.
 

Design « Giant Speaker » (haut-parleurs grands format)

Typiquement, la plupart des portables ont un haut-parleur de chaque côté. Alors que certains des meilleurs peuvent reproduire les mediums et les aigus de façon acceptable, ils ont du mal avec les basses. Il n’est pas simple d’intégrer un caisson de basses dans de telles machines, leur châssis aux dimensions compactes laissant peu de place aux cônes pour déplacer suffisamment d’air. La seule façon d’améliorer l’audio et d’avoir une réponse en fréquence réduite est de maximiser la zone disponible pour permettre l’intégration de deux caissons de basses et de deux haut-parleurs.
 
Giant Speaker Design
Le Design « Giant Speaker » assure une bonne reproduction des basses et hautes fréquences (Image : MSI)
 
Le design « Giant Speaker » de MSI est l’une des façons de faire cela. Comme on peut le voir, à l’intérieur, le quart inférieur est exclusivement dédié au système audio. Dans ce cas, nous voyons qu’il y a un caisson de basses de chaque côté du notebook, tous deux intégrés dans des chambres assez grandes. Cela permet une plus grande reproduction des fréquences, afin d’avoir une meilleure intégration que sur la plupart des notebooks classiques.

 

Resonance absorption
Absorption de la résonance

Si l’on considère le châssis d’un notebook comme une petite pièce, alors c’est clair qu’il y aura beaucoup de résonance et de vibrations qui affecteront l’audio. Utiliser des absorbeurs de résonance peut réduire les fréquences non voulues de façon assez efficace. Dans un haut-parleur classique, les matériaux consacrés à l’absorption de la résonance sont placés autour du cône du haut-parleur principal.
 

Smart Amp Circuit Design

Lors du CES 2015, Texas Instruments avait présenté une technologie appelée Smart Amp. Smart Amp permet aux haut-parleurs d’être plus puissant sans les abîmer. La plupart des haut-parleurs sont configurés à 2 W, même s’ils sont théoriquement capables d’atteindre 10 voire 30 W. Cette limitation est imposée afin de prévenir les éventuels dommages dus à un courant excessif circulant dans la bobine et pour éviter les effets d’écrêtement. Avec Smart Amp, il est possible de filtrer dynamiquement seulement la partie des fréquences qui passe un niveau de sécurité plutôt que l’ensemble de la forme d’onde
 
L’intégration de Smart Amp par MSI permet de sortir jusqu’à 30 W sans abîmer le haut-parleur du fait de la hausse de la tension et de la température. Ces paramètres peuvent être surveillés et ajustés en temps réel, et seuls les "pics" potentiellement dangereux sont filtrés. Ainsi, les haut-parleurs peuvent opérer sans souci avec niveau de puissance supérieur. Dans un espace confiné comme celui des notebooks, les haut-parleurs Smart Amp peuvent fournir une amplitude sonore (ou volume sonore) bien plus élevée que les haut-parleurs classiques. Cela signifie qu’il y a plus de puissance disponible pour les basses, ainsi que pour les médiums et les aigus.
 
Smart Amp Circuit Design
Amplificateur Smart Amp et amplificateur classique (image : MSI)
 

Améliorer la réponse en basse fréquence

Fournir une réponse en basse fréquence est un défi vu les contraintes d’un châssis de notebook classique. Pour contourner ce problème, des radiateurs passifs sont utilisés. Un radiateur passif est simplement un haut-parleur sans moteur. Il se compose d’une membrane, d’une suspension et d’un cadre, sans les éléments électromagnétiques (bobines et aimants). L’avantage du radiateur passif est qu’il offre une fréquence de réponse basse comparable à une enceinte bass-reflex bien plus encombrante.
 
Schematic of a passive radiator
Schéma d’un radiateur passif (image : Center Point Audio).
 
Comment un radiateur passif aide à reproduire une fréquence basse ? Considérez le schéma de droite comme un tout fermé. Quand le haut-parleur va d’avant en arrière en réponse à l’entrée, il affecte l’air à l’intérieur de l’ensemble fermé. Quand un radiateur passif est placé en face du haut-parleur, le mouvement d’air affecte également le mouvement du radiateur passif. Ce mouvement crée une basse fréquence similaire à ce celle d’un système bass-reflex.
 
Les radiateurs passifs peuvent être utilisés non seulement dans les caissons de basses, mais également dans des haut-parleurs intermédiaires. Ils sont faciles à concevoir puisque, à la différence des enceintes bass-reflex, ils ne nécessitent pas de réglages – il doivent simplement être conçus en fonction du haut-parleur. Cela les rend très efficaces pour une utilisation dans un petit haut-parleur. Sur les photos ci-dessous, on peut voir un haut-parleur classique pour les fréquences intermédiaires. Ce que nous voyons en haut est le radiateur passif. Le haut-parleur est situé plutôt vers le bas.
 
Mid-range frequency laptop speaker

Haut-parleur de portable pour fréquences intermédiaires – partie supérieure (image : MSI)

Mid-range frequency laptop speaker - bottom

Haut-parleur de portable pour fréquences intermédiaires – partie inférieure (image : MSI).

 
L’évaluation des performances d’un radiateur passif montre que ses réponses en fréquence sont comparables à celles d’un micro haut-parleur classique de dimensions similaires, surtout en termes de fréquences basses et médiums. Sur le graphique ci-dessus, nous avons ce que le micro haut-parleur de référence peut reproduire à une faible fréquence de 100 Hz. Le radiateur passif est très proche de cette valeur, et s’avère bien plus proche du pic de fréquence de 1 000 Hz.
 
Passive radiator (green) and reference micro-speaker
Comparaison de la réponse en fréquence d’un radiateur passif (en vert) et du micro haut-parleur de référence (en rouge) (image : MSI).

 

Dans notre propre test du MSI GT76, nous avons vu que la réponse en fréquence est excellente, avec un volume maximum élevé de 90 dB. Bien que le son semble un peu étouffé, et puisse faire mieux avec les basses et les mediums, il va sans dire que le GT76 possède des performances sonores impressionnantes dont peu de portables peuvent se vanter.
 
Frequency diagram
Diagramme de fréquences

 

Conception du circuit pour écouteurs

Alors qu’il est toujours intéressant d’avoir de bons haut-parleurs intégrés, la plupart des gens utiliseront des écouteurs pour profiter d'une expérience de jeu immersive. Les composants impliqués dans la conception d’écouteurs doivent alors être de bonne qualité, avoir un rapport signal sur bruit (SNR, Signal-to-Noise Ratio) élevé et de bonnes capacités pour la communication vocale.
 

La clé d’un signal sur bruit élevé

Les audiophiles avisés attesteront de l’importance d’avoir un bon circuit pour avoir une sortie audio haute résolution. Un bon circuit assure une perte minimale de signal et le moins de bruit statique possible, pour une meilleure expérience audio. Le circuit intégré est également important.
 
L’organisation du circuit intégré est un des aspects importants de la conception d’un système pour écouteurs, afin que le signal électrique soit efficacement transmis dans l’espace confiné. Alors que des facteurs comme la pile du circuit, sa taille, les composants sur la carte sont des éléments importants, la clé de bonnes performances d’une puce audio est, comme avec n’importe quel circuit imprimé, le plan d’alimentation. Pour ceux qui ne le savent pas, un plan d’alimentation connecte la carte à un "plan de sol" (ou Ground Plane). La façon dont les composants analogiques et numériques de la carte sont reliés au plan de sol fait la différence au niveau de la qualité audio, un plan bien fait réduisant les interférences électromagnétiques et supprimant toute diaphonie.
 
Proper PCB layout is essential for quality audio output
L’organisation du circuit intégré est également essentielle pour la qualité de la sortie audio (image : MSI).
 

Alors que nous n’entrerons pas dans des détails ici, il est considéré comme une bonne pratique de ne pas diviser les plans de sol dans les signaux du circuit, ce avec quoi MSI est d’accord. MSI affirme que ses tests montrent que diviser les plans de sol entre les composant analogiques et numériques du circuit intégré n’est pas vraiment bénéfique, et recommande donc de n’utiliser qu’un seul plan de sol pour les deux composants afin de simplifier le circuit imprimé. De même, le nombre de voies à travers le plan de sol doit être aussi réduit que possible, et ne devrait pas bloquer la "ligne de vue" entre la puce audio et l’amplificateur opérationnel (ampli-op), afin de réduire la distorsion harmonique totale (THD, Total Harmonic Distortion).
 

Mis à part le plan de sol, plusieurs autres éléments peuvent aider à avoir une sortie audio plus propre. Il faut avoir :
  • Short ground connections without shared vias.
  • Keeping op-amp feedback paths as close to the op-amp as possible.
  • Ensuring every op-amp and audio chip has decoupling capacitance on its power supply right next to the power supply pins.
  • Short and clean audio path between the audio chip and the op-amp stage (audio path after the op-amp is not that critical).
  • Separating digital circuitry from analog circuitry.
  • Using gold-plated audio connectors to minimize signal loss.


Voiceboost

Voiceboost settings in MSI Dragon Center
Voiceboost settings in MSI Dragon Center. (Image source: MSI)

 
Multiplayer gaming becomes all the more fun when voice-coordinating with other team members. In a conventional setup, the players' voices can get drowned out amid the cacophony of in-game sounds, which can prove to be a strategic disadvantage. Voiceboost aims to alleviate this issue by detecting and prioritizing voice over other app and game sounds. Therefore, team members will be able to hear each other clearly and plan the next tactical maneuver. Voiceboost can be configured directly from MSI Dragon Center software.

Software Enhancements

So far, we've seen what goes into deciding the type of speakers, their placement, and how the audio circuitry is designed to maximize headset audio performance. Quality hardware needs to be supported by equally competent software and this is where audio solutions such as Nahimic come in. In this section, we will have a brief look at how Nahimic enhances the overall audio experience on your existing speaker or headset setup.

Noise cancellation

Delivering good noise cancellation algorithms is an integral part of headset design. Compared to other software audio-processing solutions such as Dolby Digital or Creative SoundBlaster Cinema, Nahimic offers an enhanced ability to add features such as voice level controls, noise gate adjustment, noise reduction, and beam-forming. So even if you are in the middle of a high-paced action game, Nahimic can discern your voice from background noise such as explosions or engine roars. The software is tuned by simulating specific environments in a lab and adjusted for high precision in noise cancellation.
 
Audio simulation for noise cancellation development

Audio simulation for noise cancellation development. (Image source: MSI)

Audio simulation for noise cancellation development

Audio simulation for noise cancellation development. (Image source: MSI)

Nahimic microphone UI

Nahimic microphone UI. (Image source: MSI)

N-Force 7.1-channel virtual surround

Most games (and multimedia software) use the Windows default sound settings to deliver audio. That means if you have a stereo headset and it is configured so in Windows, multi-channel audio will be down-mixed to stereo channels and you will lose out on spatial sound information like an enemy sneaking up behind you, for example.
 
To circumvent this issue, Nahimic uses a proprietary technology called N-Force. N-Force tricks the game into believing that a 7.1-channel audio device is connected so that the game engine can provide all the encoded channels without down-mixing into stereo. N-Force then feeds this sound information to Nahimic's Head Related Transfer Function (HRTF) algorithms that can determine the positioning of the sound and also add additional 3D effects, resulting in an overall immersive experience. With Nahimic, gamers can take out the guesswork in estimating the positioning of the enemy and be able to gauge the relative position of various sounds in the game.
 
Nahimic

Without Nahimic, the game engine delivers only 2-channel stereo as configured in Windows. (Slide courtesy: MSI)

7.1-channel

Nahimic tricks the game engine into offering complete 7.1-channel audio. (Slide courtesy: MSI)

Nahimic 3D Audio

Benefits of Nahimic 3D Audio. (Slide courtesy: MSI)


Stereo widening

Nahimic also offers stereo widening capabilities for a more engaging music and movie experience. Traditionally, on both internal and external speakers, the sound is aimed directly at the listener and covers a 60° envelope around the head. By applying a crosstalk cancellation effect, it is possible to further separate information from the left and right channels, and by using proprietary transaural filters it is possible to widen the stereo effect from 60° to 180°.
 
While transaural filters help widen the stereo effect, binaural filters help recreate the center channel — where most of the dialogues are encoded in a multi-channel setup — and spatially separate the right and left stereo channels outwards. This creates an immersive effect akin to a 3.0 speaker setup.
 
A crosstalk cancellation effect is applied to fully separate L and R channels

A crosstalk cancellation effect is applied to fully separate L and R channels. (Slide courtesy: MSI)

Transaural virtualization enables stereo widening

Transaural virtualization enables stereo widening. (Slide courtesy: MSI)

Binaural virtualization recreates a center channel simulating a 3.0 setup

Binaural virtualization recreates a center channel simulating a 3.0 setup. (Slide courtesy: MSI)

 

Stereo up-mix

Movie connoisseurs will prefer a native multi-channel setup by way of 5.1 or 7.1-channel speakers rather than conventional headsets. 5.1 audio encoded in DTS or Dolby Digital is commonly seen in DVDs and Blu-ray discs. A 5.1 setup can offer proper audio positioning. For example, dialogues usually belong to the center while the left and right channels carry the main track. The rear channels usually play back secondary sounds such as crowd noises, people talking behind the character, or gunshots from behind.
However, these systems are underutilized when the source is just a stereo stream. Nahimic offers the ability to up-mix stereo into 5.1 channels by analyzing the source and separating the audio elements based on its properties. There are some limitations to this and the output is not always as precise as a native 5.1 encode. That being said, stereo up-mix is especially useful when listening to music and movies encoded in stereo using a 5.1-channel setup.
Nahimic can read the incoming stereo source and extract each component

Nahimic can read the incoming stereo source and extract each component. (Slide courtesy: MSI)

It then splits the components into respective feeds for each channel

It then splits the components into respective feeds for each channel. (Slide courtesy: MSI)

 

Easy to use UI

An intuitive user interface (UI) helps to better utilize all of the powerful tools Nahimic offers without having to wade through a maze of options. The latest Nahimic UI is made by gamers for gamers keeping in mind their requirements. With Windows 10 1809 onwards, Microsoft has introduced a new driver platform called Declarative Componentized Hardware (DCH) drivers that work better with the Windows UWP platform. Nahimic supports the new UWP platform so it benefits from getting automatic updates and tested compatibility across a wide range of laptop models.
The controls in the new UI are easily accessible along with some nifty features such as static noise suppression, a patented sound tracker feature, and a voice stabilizer. Voice Stabilizer helps maintain the same voice levels irrespective of your distance from the microphone. There's also a dedicated Night Mode to reduce the output by 10 dB so that you don't annoy those around you during those late-night gaming sessions.
Microsoft UWP compliantt

Nahimic is now completely redesigned and is Microsoft UWP compliant. (Slide courtesy: MSI)

The UI is intuitive and is easily understandable

The UI is intuitive and is easily understandable. (Slide courtesy: MSI)

Users can control the extent of background noise suppression.

Users can control the extent of background noise suppression. (Slide courtesy: MSI)

Sound Tracker helps track spatial sound positioning.

Sound Tracker helps track spatial sound positioning. (Slide courtesy: MSI)

audio information

Voice Stabilizer ensures a constant voice level irrespective of your position from the microphone. (Slide courtesy: MSI)

audio information

Night Mode reduces output without sacrificing audio information. (Slide courtesy: MSI)


Conclusion

In this article, we have touched upon what goes into designing a capable audio subsystem, right from the underlying electronics to the software experience. From the discussion above, one thing is pretty clear — it is not a trivial task to house quality audio components in a thin laptop chassis, and it requires several levels of coordination among all the stakeholders, ranging from components suppliers to the end-user. An improper selection of parts and imprecise tuning can ruin the audio experience and steer users away from the notebook. Even though most laptop users prefer using headsets or external speakers, attention to onboard speaker quality is equally important.
 
RTX logoWe hope that this primer on laptop audio design was helpful in making some of the concepts clear on this important aspect of laptop purchase. Watch this space for upcoming laptop 101 topics including what goes into determining LCD panel accuracy, touchpad design, and more.
 
Besides this careful component matching it’s ensured that the latest GeForce RTX Turing graphics are at the centre of MSI laptops. Whether playing blockbuster games like Battlefield V with ray tracing for the very best image quality or working with creative apps like Autodesk 3DS Max, Adobe Premiere Pro and Lightroom or DaVinci Resolve, RTX laptops are true "workhorses" for professionals, students, and gamers. They are perfect for combining leisure and work.
Abonnez-vous à notre blog

Recevez des informations sur les nouveaux produits, des astuces et les dernières actualités

En cliquant sur ce bouton, vous acceptez les Conditions générales et la Politique de confidentialité de MSI.

us