Ampli casque égalisé pour malentendants : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Mes besoins

Il y a quelques mois, j'ai été équipé d'appareils auditifs pour compenser une perte de sensibilité aux hautes fréquences, provoquant un étouffement des sons et une difficulté à distinguer les sybillants (par exemple "S" et "F"). Mais les aides ne donnent aucun avantage lors de l'utilisation d'un casque puisque les microphones sont derrière l'oreille. Après avoir expérimenté un tour de cou à induction et une entrée directe dans mes aides auditives (dont aucune n'a donné de résultats satisfaisants), j'ai eu l'idée d'un amplificateur de casque avec une réponse en fréquence réglable conçue pour correspondre à celle de mes aides auditives.

Si vous avez d'autres exigences en matière de péréquation, ce projet pourrait être facilement adapté. Il fournit un boost (ou un cut, avec une modification triviale) à 3 fréquences centrales. Cependant, il pourrait être étendu à plus de bandes de fréquences.

Le résultat

Je me suis retrouvé avec une jolie petite boîte carrée de 6 cm avec des entrées jack 3,5 mm et Bluetooth et une sortie casque jack 3,5 mm. J'ai trouvé l'amélioration de l'expérience d'écoute pour la musique spectaculaire et une grande amélioration pour la parole.

Ce que ce Instructable vous donnera

Permettez-moi de préciser d'emblée, ce n'est pas un projet de débutant. Vous aurez besoin d'un niveau raisonnable de compétences en soudure, et si vous souhaitez le modifier (comme vous pouvez le faire), vous devrez apprendre Eagle pour la disposition de la carte et TinkerCAD pour la boîte imprimée en 3D. Les deux m'ont pris un peu de temps à maîtriser, mais aucun n'était difficile. Je m'attends à ce que les gens apprennent quelque chose de mes Instructables (à moins que vous n'en sachiez déjà plus que moi), pas seulement pour suivre aveuglément les instructions.

Si vous n'avez jamais soudé de composants à montage en surface, ne vous découragez pas - ce n'est pas aussi difficile que vous pourriez le penser. Consultez ce guide pour une introduction.

Ce que vous obtiendrez de ce projet est:

• Fichiers de conception Eagle (schéma et mise en page de la carte)
• Une feuille de calcul Excel contenant les équations de conception pour vous permettre de personnaliser l'égalisation selon vos besoins
• Le design TinkerCAD pour la boîte imprimée en 3D.

Étant donné que la commande minimale pour la carte de circuit imprimé personnalisée était de 5 pièces, j'ai 3 cartes nues en réserve (une vendue). Ceux-ci sont maintenant en vente sur eBay - voir

Étape 1: Le processus de conception: exigences et stratégie

Lorsque j'ai commencé à réfléchir à ce projet, l'une des premières questions dans mon esprit était de savoir s'il fallait utiliser des filtres analogiques ou numériques. Dans un fil de discussion sur le forum All About Circuits, Keith Walker m'a alerté sur un égaliseur graphique (analogique) très bon marché d'Extrême-Orient (illustré ci-dessus) qu'il avait utilisé pour résoudre le même problème. J'en ai donc commandé un comme preuve de concept.

Il fonctionnait bien mais était trop encombrant pour une utilisation portable et nécessitait des rails d'alimentation positifs et négatifs, un inconvénient supplémentaire. Mais cela a confirmé l'approche et le type de circuits de filtrage à utiliser.

J'ai affiné mes exigences comme suit:

• Il doit être compact, portable et alimenté par une batterie rechargeable.
• Il doit accepter l'entrée d'une prise jack 3,5 mm ou Bluetooth.
• Il doit avoir des canaux stéréo gauche et droit séparés.

J'ai utilisé des composants conventionnels à trous traversants et des circuits intégrés DIL de 0,3 sur du stripboard dans de nombreux projets précédents, mais cela l'aurait rendu trop volumineux. J'ai donc décidé de concevoir un PCB personnalisé (une nouvelle expérience pour moi) en utilisant la surface monter des composants (dont j'ai une modeste expérience). Je devrais également concevoir une boîte imprimée en 3D (mon expérience en conception 3D était très limitée).

Une capacité Bluetooth serait facile à ajouter à l'aide de l'un des divers modules Bluetooth bon marché disponibles.

Il y a 2 ou 3 circuits intégrés d'égaliseur graphique dédiés que j'ai examinés, mais l'utilisation de quads opamps bon marché semblait au final plus simple et ne nécessitait qu'autant de composants externes.

Étape 2: Conception détaillée

L'élément de circuit de base que j'ai utilisé est connu sous le nom de gyrateur. Il utilise un amplificateur opérationnel pour transformer un condensateur en inducteur virtuel. Ceci, et un autre condensateur crée un circuit accordé, fournissant soit une coupure, soit une amplification sur une certaine plage de fréquences. De très nombreuses conceptions d'égaliseurs graphiques utilisent une conception pratiquement identique et il ne sert à rien de s'en écarter. Ils sont illustrés par celui-ci de Electronics Today International, septembre 1977, page 27. Cet article explique très clairement le fonctionnement du circuit.

Je ne l'ai modifié qu'en utilisant des amplis-op qui fonctionneraient à partir d'une seule alimentation 5V et en ajoutant un circuit intégré d'amplificateur de casque pour m'assurer qu'il piloterait correctement les écouteurs. J'ai également remplacé chaque potentiomètre par un potentiomètre et une résistance afin de ne donner que du boost et un contrôle plus fin, puisque je n'ai pas eu besoin de couper.

Le schéma et la disposition de la carte (tous deux générés à l'aide d'Eagle) sont illustrés ci-dessus.

Une grande caractéristique d'Eagle est qu'il inclut le package de simulation de circuit Spice, permettant de valider la conception et de prédire la réponse en fréquence avant de s'engager dans la fabrication du PCB.

La carte fournit 2 entrées, une prise jack 3,5 mm et des plots à souder pour la connexion d'un module récepteur Bluetooth. Ceux-ci sont effectivement en parallèle. L'alimentation peut être fournie via une prise mini-USB ou des pastilles à souder. J'ai utilisé le mini plutôt que le micro-USB car une prise micro-USB serait assez difficile à souder à la main et est également moins robuste.

Étape 3: Installation et configuration d'Eagle

Si vous souhaitez envoyer la conception de la carte pour la fabrication, modifier la disposition ou simplement modifier la courbe de réponse, vous devrez installer Eagle. Si (comme moi lorsque j'ai commencé ce projet) vous ne le connaissez pas, le site Web SparkFun propose une série de didacticiels utiles à l'adresse

Le premier à regarder est Comment installer et configurer Eagle.

Cela inclut l'installation des bibliothèques SparkFun. Le fichier zip téléchargé contient un dossier SparkFun-Eagle-Libraries-master que vous devez copier dans EAGLE\libraries

Vous devez également importer mes fichiers de schéma et de mise en page de carte Eagle, ainsi que mes modèles Spice. (Spice est le logiciel de simulation de circuit qui nous permet de simuler la réponse en fréquence de l'amplificateur.)

Ceux-ci sont tous inclus dans un fichier zip que vous pouvez télécharger à partir de

github.com/p-leriche/EqualizedHeadphoneAmp

Ouvrez le fichier zip et faites glisser et déposez les projets et les dossiers spice dans votre dossier EAGLE. (Il contiendra déjà un dossier de projets vide.)

Vous devriez maintenant être prêt à lancer Eagle.

Dans le volet de gauche, ouvrez Projets, puis Projets, puis Amplificateur casque égalisé.

Double-cliquez sur les fichiers Headphone_Amp.brd et Headphone_Amp.sch. Ceux-ci s'ouvriront dans des fenêtres séparées, la première montrant la disposition de la carte et la seconde le schéma.

Sur le schéma, recherchez et cliquez sur le bouton Simuler.

Cela ouvre la configuration de la simulation. Cliquez sur le bouton radio AC Sweep, définissez le type sur Dec (valeur par défaut) et les fréquences de début et de fin sur 100 et 10000 respectivement. Cliquez sur le bouton Simuler en bas à droite. Après une pause, un graphique de la réponse en fréquence devrait apparaître, comme indiqué à l'étape suivante.

Étape 4: Ajuster la courbe de réponse

Vos oreilles seront très probablement différentes des miennes, vous avez donc tout d'abord besoin d'une copie de votre audiogramme. Votre audiologiste devrait être en mesure de vous le fournir, mais si vous avez une bonne paire d'écouteurs, vous pouvez en fabriquer vous-même en vous rendant sur

Cela devrait vous donner une bonne idée de la quantité de boost dont vous avez besoin à différentes fréquences. Dans mon cas, ma perte auditive augmente rapidement au-dessus de 3 kHz, ce qui rend impossible la compensation bien au-dessus. En tout cas, quelques expériences analysant le spectre de diverses sources avec Audacity ont indiqué qu'il ne me manquait probablement pas grand-chose au-dessus de cela.

En l'état, le projet vous permet d'ajuster la réponse en fréquence à 3 fréquences centrales de 1,5, 2,3 et 3,3 kHz, indépendamment entre les canaux gauche et droit. Vous pouvez vous en tenir à ces fréquences ou les modifier (voir l'étape suivante).

Dans votre dossier EAGLE\spice vous trouverez des modèles pour les 3 trimpots POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl et POT_VR131.mdl. Ceux-ci contrôlent la réponse aux 3 fréquences. L'ouverture de l'un d'entre eux avec un éditeur de texte (par exemple, le Bloc-notes) verra une ligne telle que:

.param VAR=50

Changez le nombre entre 0 et 100 pour représenter la position du potentiomètre correspondant et donc le boost à cette fréquence à n'importe quoi de zéro au maximum.

Maintenant, relancez la simulation (cliquez sur Mettre à jour la Netlist avant de cliquer sur Simuler) pour voir à quoi ressemble maintenant la réponse en fréquence.

Étape 5: Modification des fréquences centrales

Dans le dossier Eagle Project, j'ai inclus une feuille de calcul Excel Calc.xlsx. Ouvrez-le avec Excel (ou si vous n'avez pas Excel, LibreOffice Calc, qui est gratuit). Cette feuille de calcul comprend les calculs de conception pour une seule des 3 sections de filtre.

La première case vous permet de calculer la fréquence centrale et le facteur Q pour des valeurs données de R1, R2, C1 et C2. (Le facteur Q ou Quality détermine la largeur de la bande. Une valeur plus élevée donne une bande plus étroite et plus d'amplification. Des valeurs autour de 4 semblent bien fonctionner si chaque fréquence est environ 50 % supérieure à la précédente.)

En fait, vous êtes plus susceptible de vouloir choisir les fréquences et calculer les valeurs des composants. Étant donné une fréquence souhaitée et trois des quatre valeurs de composante, la deuxième case vous permet de calculer la 4e valeur de composante.

Les composants sont fournis en valeur préférée (par exemple la série E12), vous pouvez donc choisir la valeur préférée la plus proche de la valeur calculée et la renvoyer dans la première case pour voir quelle fréquence réelle cela donne.

Vous devez ensuite connecter vos valeurs au schéma Eagle et répéter la simulation.

Affichez le schéma et dans le panneau de gauche, cliquez sur l'icône de valeur du composant, puis sur le composant que vous souhaitez modifier. (La simulation est configurée pour fonctionner uniquement sur le canal inférieur ou gauche.) Vous recevrez un avertissement indiquant que le composant n'a pas de valeur définissable par l'utilisateur. Voulez-vous le changer? Bien sûr, vous le faites! Entrez la nouvelle valeur dans la case qui s'affiche.

Cliquez sur le bouton Simuler, sur Mettre à jour la Netlist puis sur Simuler.

Étape 6: Composants requis

Vous aurez bien sûr besoin d'un circuit imprimé. À moins que vous n'utilisiez l'une de mes cartes nues de rechange, vous devrez envoyer les fichiers Eagle pour la fabrication. La plupart des fabricants exigent la conception sous la forme d'un ensemble de fichiers Gerber. Plutôt que de dupliquer les instructions ici, recherchez en ligne Eagle export gerber ou reportez-vous au didacticiel Sparkfun.

Des fichiers Gerber séparés décrivent les couches de cuivre, le masque de soudure, la sérigraphie, le perçage et le fraisage du contour de la planche.

En soumettant les fichiers en ligne à un fabricant, il les validera et vous alertera si des fichiers essentiels manquent. Mais il ne vous alertera pas si un fichier de sérigraphie est manquant, ce qui était mon erreur. Ceci est distinct des contours de l'appareil.

Vous aurez besoin des composants suivants pour remplir la carte.

• TL084 SOIC-14 quad ampli op - 2 off
• Amplificateur de puissance LM4880M SOIC 250mW - 1 off
• 0603 Assortiment de résistances CMS
• 0603 Assortiment de condensateurs céramique SMD 100pF - 1μF
• Pot de finition 5K 3362P-502 - 6 pièces
• Condensateur multicouche céramique multicouche 10uF 16V SMD 0805 - 4 off
• 2917 (EIA7343) Condensateur au tantale 100μF 16V - 2 off
• 2917 (EIA7343) Condensateur au tantale 470μF 10V - 2 off
• Mini prise SMD femelle 5 broches USB
• Prise audio stéréo à montage PCB de 3,5 mm à trous traversants - 2
• LED bleue de 3 mm (ou votre choix de couleur)

Pour une unité complète alimentée par batterie avec entrée Bluetooth, vous aurez en plus besoin de:

• Module récepteur Bluetooth prenant en charge A2DPcomme celui-ci
• Batterie LiPo: 503035 3.7V 500mAhr
• Chargeur LiPo TP4056 avec entrée mini-USB (ou microUSB si vous préférez) comme celui-ci
• Convertisseur boost 3V - 5V tel que celui-ci
• Mini interrupteur à glissière SPDT

NB Le chargeur LiPo est susceptible d'être réglé pour un courant de charge de 1A, ce qui est trop pour une batterie de 500mAhr. Il est important de retirer la résistance de programmation du taux de charge (normalement 1,2K connectée à la broche 2 de la puce TP4056) et de la remplacer par une de 3,3k.

J'ai utilisé une batterie LiPo à extrémité filaire, mais une avec un connecteur JST miniature ne lui permettrait d'être connectée qu'après le câblage et la double vérification de tout le reste, tout en facilitant son remplacement.

Un module Bluetooth qui fonctionnera sur 3,3 V ou 5 V est préférable car il peut alors être alimenté directement par la batterie, réduisant ainsi le bruit numérique sur l'alimentation 5 V de la carte de circuit imprimé principale.

Si vous choisissez un module Bluetooth prenant en charge AVRCP ainsi que A2DP, vous pouvez ajouter des boutons poussoirs pour augmenter/diminuer le volume et la piste suivante/précédente.

De nombreux modules Bluetooth ont une LED de montage en surface pour indiquer l'état de la connexion, et le chargeur TP4056 a des LED de montage en surface rouges et vertes pour indiquer l'état de charge. Une boite comme celle que j'ai faite va probablement les cacher, donc elles peuvent être remplacées (voir plus loin) par:

• LED bleue de 3 mm
• LED d'anode commune rouge/vert de 3 mm.

Étape 7: Utilisation d'un prototype de planche nue

Si vous avez obtenu l'une de mes cartes prototypes de rechange, vous devez être conscient de quelques erreurs mineures.

• Il n'y a pas de sérigraphie sur le dessus de la planche. Vous trouverez utile d'avoir une copie imprimée de la disposition du tableau à portée de main lorsque vous le remplissez.
• Quelques vias étaient destinés à relier les plans de masse supérieur et inférieur, ce qui n'est pas le cas. Cela n'a aucune conséquence.
• C3 était à l'origine 100uF, dans un boîtier 2917. Cette valeur était beaucoup trop grande et est maintenant de 1uF 0603. Vous devrez gratter un peu de la résistance de soudure du plan de masse afin de l'adapter, comme indiqué sur la photo.

Le gain est fixé par les valeurs des résistances R106 et R206. 22k donne à peu près un gain unitaire. Étant donné que vous voudrez peut-être expérimenter différentes valeurs, j'ai fourni à la fois des plots de résistance SMD 0603 et des trous au pas de 0,3 pour les résistances à extrémité filaire.

Étape 8: la boxer

Vous pouvez trouver le design imprimable en 3D de la boîte que j'ai utilisée sur tinkercad.com. Les dégagements étaient un peu trop serrés, j'ai donc augmenté la longueur et la largeur de la boîte de 1 mm.

Le fond de la boîte offre des compartiments pour la batterie, le chargeur, le convertisseur boost 5V et le module Bluetooth. La carte de l'ampli casque s'adapte sur le dessus. Le couvercle est retenu par deux vis autotaraudeuses M2x5mm.

Des chargeurs identiques et des modules boost 5V sont largement disponibles mais il existe de nombreux modules Bluetooth différents. Si l'un d'entre eux est différent du mien, vous devrez modifier la conception de la boîte.

Une fois en place, vous pouvez légèrement retenir les modules avec de la colle thermofusible.

Étape 9: Câblage

À des fins de test, j'ai attaché tous les modules à un morceau de carton à l'aide de blu-tac. De là, j'ai trouvé que le routage des connexions au sol était critique. La masse du module Bluetooth doit être acheminée vers l'ampli casque avec les canaux gauche et droit, mais la connexion à la masse du tableau de distribution doit aller au module Bluetooth, pas à l'ampli casque, sinon vous obtenez beaucoup de bruit numérique du module Bluetooth dans la sortie.

J'ai monté l'interrupteur marche/arrêt sur un petit morceau de stripboard, 6 bandes de large par 5 de long et avec une découpe 2x4 pour l'interrupteur. Celui-ci sert également de tableau de distribution électrique. Quand il a été entièrement câblé, j'ai collé l'interrupteur en place (avec le stripboard attaché) à l'aide de colle époxy. Si je devais refaire le projet, je prévoirais le commutateur sur la carte de l'ampli casque.

Vous avez besoin d'un fil toronné assez fin pour le câbler, j'ai donc divisé une longueur de câble ruban arc-en-ciel, ce qui m'a donné des fils individuels de différentes couleurs. Normalement, vous passeriez les fils à travers un trou dans une carte et les souderiez de l'autre côté, mais avec les différents modules en place dans la base de la boîte, je devais souder du même côté de la carte que le fil d'où venait, avec juste un peu plus d'isolant dépouillé qu'autrement aurait été nécessaire. J'ai dû monter le côté cuivre du stripboard et y souder les connexions de la même manière.

Je voulais que les LED du chargeur et les modules Bluetooth soient visibles, j'ai donc retiré les LED SMD embarquées et câblé les pads à des LED de 3 mm. J'ai percé des trous dans la boîte pour ceux-ci car je ne les avais pas autorisés dans ma boîte imprimée en 3D. Je les ai connectés aux plots de soudure des modules avec du fil émaillé soudable. Celui-ci est recouvert de polyuréthane auto-fondant qui fond sous la chaleur d'un fer à souder.

Pour le module chargeur, j'ai utilisé une LED d'anode commune rouge/verte. L'anode commune doit être câblée à l'un des plots LED SMD les plus proches du bord de la carte (ce que vous pouvez confirmer avec un multimètre). Si votre module Bluetooth possède une LED SMD vous devrez déterminer la polarité avec un multimètre. Certains modules ont des connexions pour une LED externe.

Avant d'insérer l'ampli casque dans le boîtier au dessus des autres modules, j'ai trouvé nécessaire de placer des petits morceaux de ruban PVC sur le dessus de deux condensateurs électrolytiques sur le module Bluetooth et sur la prise de charge mini-USB afin d'éviter les courts-circuits avec le dessous de l'ampli casque.

Étape 10: Améliorations

Si je voulais en faire un produit, il y a sans doute des choses que je changerais, mais m'étant fait un gadget qui me sert, je vais passer à d'autres projets.

Le circuit:

• Une alimentation bipolaire aurait pu être mieux. Étant donné que le courant consommé par les amplificateurs opérationnels est faible, un onduleur de tension de pompe capacitif tel que le MAX660 aurait facilement fourni l'alimentation négative.
• Avec une alimentation bipolaire, le convertisseur boost 5V ne serait pas nécessaire aux amplis op. L'amplificateur de casque LM4880 fonctionnera sur la tension de sortie brute d'une batterie LiPo, bien que la puissance de sortie maximale soit réduite de 250 mW par canal à environ 100 mW par canal.

Le tableau:

• La taille de la planche est exactement ce qui ressort du processus de mise en page, mais la réduire à une taille exacte telle que 6x6 cm aurait rendu la conception de la boîte un peu plus facile.
• De même, il aurait été plus soigné de placer les jacks d'entrée et de sortie 3,5 mm en ligne et exactement au milieu des deux côtés. Cela aurait également facilité la conception de la boîte.
• Il aurait été simple d'embarquer le circuit du chargeur LiPo. Le convertisseur boost 3 - 5V ne serait pas nécessaire avec une alimentation bipolaire, économisant ainsi 2 modules séparés.
• Avec un simple chargeur TP4056 tel qu'il est utilisé, la batterie peut être surchargée si vous essayez de la charger avec l'appareil allumé. Les chargeurs un peu plus sophistiqués intègrent un circuit de protection simple, qu'il vaudrait la peine d'inclure.
• Avec les modifications ci-dessus, le commutateur pourrait alors être monté sur la carte. La méthode de montage du commutateur dans la boîte imprimée en 3D n'était pas idéale.
• Un interrupteur 2 pôles à 3 voies permettrait au module Bluetooth d'être alimenté uniquement en cas de besoin.

La boîte:

• Le montage des modules en 2 couches a rendu l'assemblage plus difficile que nécessaire, et une boîte plus fine mais plus grande aurait pu mieux s'adapter à une poche.
• L'interrupteur est facilement activé par inadvertance. Il aurait été simple d'inclure des gardes autour dans la conception de l'impression 3D pour éviter cela.

Autres applications:

Si, peut-être en tant qu'audiophile, vous voulez juste un ampli casque égalisé donnant à la fois un boost et une coupure à une variété de fréquences, vous pouvez utiliser essentiellement le même design.

Pour donner à la fois du boost et du cut, éliminez R113, R123, R133 et R213, R223, R233 (ou remplacez par des résistances 0Ω) et remplacez les trimpots par 10k (pots coulissants si vous préférez).

Vous pouvez ajouter autant d'instances du circuit gyrateur que vous le souhaitez.