Système de livraison sonore abordable pour la recherche animale

Étudier le comportement animal, surtout en neurosciences, demande de surveiller leur environnement et de les manipuler si besoin. Un des sens les plus importants pour beaucoup d'animaux, en particulier les mammifères, c'est l'ouïe. Le son peut donner des infos cruciales pour trouver de la nourriture, éviter les dangers, et communiquer avec les autres. Même si les chercheurs peuvent apprendre beaucoup en enregistrant des sons dans l'environnement, parfois ils doivent créer des expériences sonores contrôlées.

Le son est en gros une onde qui se déplace à travers un milieu comme l'air. Il a des propriétés comme l'amplitude et la fréquence. Différents animaux peuvent entendre différentes plages sonores. Par exemple, les humains entendent des sons de 30 Hz à 20 kHz, tandis que les souris entendent des sons au-dessus de 85 kHz.

Malheureusement, les outils qui peuvent créer des stimuli sonores de haute qualité sur une large gamme de fréquences sont rares. La plupart des appareils audio conçus pour un usage général sont faits pour l'audition humaine et ne peuvent pas produire efficacement des sons que beaucoup d'animaux peuvent entendre. Même les produits haut de gamme, bien que capables, sont souvent trop chers pour de nombreux labos de recherche. Certaines solutions sur mesure existent mais souvent, elles ne donnent pas d'infos claires sur leurs performances.

Pour combler ce vide, un nouveau système de diffusion sonore a été créé. Ce système open-source est conçu pour être abordable tout en offrant une stimulation sonore de haute qualité pour les expériences. Il se compose d'une carte son avec un convertisseur numérique-analogique (DAC) de haute qualité et d'un Amplificateur audio, qui fonctionnent ensemble pour garantir une livraison sonore claire et rapide. Le système est fait pour se connecter facilement à d'autres setups de labo.

La carte son peut être contrôlée via un protocole personnalisé sur USB, permettant une interaction simple avec des logiciels comme Bonsai, ou à travers une interface graphique conviviale. Elle peut aussi synchroniser les sons avec d'autres appareils pour un timing précis. En plus, le dispositif peut être programmé pour répondre à des commandes d'options externes, ce qui le rend polyvalent pour différents environnements de laboratoire.

Le système complet a été caractérisé pour confirmer sa qualité, car de nombreux labos peuvent manquer d'équipement spécialisé pour évaluer la performance audio.

#Description du matériel

Le système de diffusion sonore propose une solution complète pour produire du son. Il dispose d'une carte son stéréo personnalisée qui crée des signaux audio de haute qualité et d'un amplificateur audio à faible distorsion qui alimente les haut-parleurs. Ce setup peut produire des fréquences sonores allant jusqu'à 80 kHz tout en gardant la distorsion faible.

Les formes d'onde sonores peuvent être stockées dans la mémoire interne de la carte son, permettant un accès rapide et une lecture avec peu de délai. Il inclut aussi un générateur de sinus pour produire des tons simples sans avoir besoin de charger des fichiers sonores spécifiques.

Un déclencheur externe peut démarrer la lecture de n'importe quelle forme d'onde sonore stockée avec très peu de délai. Cela signifie que le timing des sons peut être précis, ce qui est crucial pour la recherche sur le comportement animal.

Au moment de la rédaction, le coût total des pièces électroniques pour ce système est d'environ 396€, la carte son coûtant 242€ et l'amplificateur 154€. Ce système répond à de nombreuses exigences pour la recherche auditive avec son faible coût, ses temps de réponse rapides et sa large gamme de fréquences.

#Dispositif de la carte son

La carte son est le cœur de ce système audio. Elle prend les ondes sonores numériques et les convertit en signaux analogiques haute résolution, qui sont ensuite amplifiés par le système de haut-parleurs connecté. Elle comprend divers composants essentiels : circuit d'alimentation, microcontrôleurs, mémoire flash et convertisseurs audio.

Pour alimenter la carte son, une source de 12 V est utilisée, avec des régulateurs fournissant l'énergie propre nécessaire pour une qualité sonore optimale. Le dispositif communique par USB et peut se synchroniser avec d'autres appareils utilisant le même protocole.

Les formes d'onde sonores peuvent être chargées dans la mémoire de la carte sans interrompre les sons actuellement en lecture. Le processeur audio interne peut gérer ces tâches efficacement, assurant un fonctionnement fluide.

Le convertisseur numérique-analogique utilisé permet une sortie audio de haute qualité avec un taux d'échantillonnage allant jusqu'à 192 kHz. Cela le rend adapté aux expériences nécessitant une livraison sonore précise.

Les amplificateurs opérationnels et les composants soigneusement choisis garantissent que le bruit et la distorsion sont maintenus à un minimum. Les sorties sont conçues pour fournir des niveaux audio standards, garantissant la compatibilité avec la plupart des équipements audio.

Des indicateurs LED sur la carte son fournissent un retour d'état, comme quand elle communique avec d'autres appareils ou s'il y a une erreur.

#Dispositif amplificateur audio

La carte son elle-même ne peut pas alimenter directement les haut-parleurs ; elle a besoin d'un amplificateur audio. Cet amplificateur peut fournir jusqu'à 4 W de puissance tout en maintenant des niveaux de distorsion faibles.

La carte de l’amplificateur comprend divers éléments : régulateurs de puissance, étages d’amplification et circuits pour gérer les décalages DC. Elle utilise des composants à faible bruit pour fournir un son clair.

Elle fonctionne sur un système d'alimentation à double tension, fournissant à la fois des alimentations positive et négative nécessaires pour la sortie audio. Cela aide à maintenir la qualité sonore.

L'amplificateur permet une livraison de courant élevée sans distorsion significative, garantissant qu'il peut alimenter les haut-parleurs efficacement. Il est conçu pour fonctionner efficacement avec la carte son, rendant l'ensemble du système audio robuste pour les expériences auditives.

#Fichiers de conception

Les fichiers de conception pour ce système sont facilement accessibles. Ils incluent des mises en page électroniques et des schémas pour la carte son et l'amplificateur, ainsi qu'une liste de matériaux qui répertorie tous les composants nécessaires à l'assemblage.

Les utilisateurs peuvent créer les circuits imprimés (PCB) à l'aide de logiciels disponibles et peuvent choisir d'assembler les composants eux-mêmes ou de travailler avec un fabricant.

#Instructions de construction

Pour mettre en place le système de diffusion sonore, les utilisateurs doivent correctement assembler tous les composants électroniques et programmer les microcontrôleurs correspondants.

#Assemblage du circuit imprimé

À l'aide des fichiers de conception, les utilisateurs peuvent produire des PCB. Chaque utilisateur peut soit souder les composants lui-même, soit faire appel à un service tiers pour gérer l'assemblage, ce qui est souvent recommandé en raison de la complexité de la carte son.

#Programmation du microcontrôleur

La carte son nécessite un logiciel spécifique pour fonctionner correctement. Les utilisateurs doivent charger le firmware de démarrage dans les microcontrôleurs avant de télécharger le logiciel principal.

La programmation des microcontrôleurs consiste à les connecter à un ordinateur et à utiliser le logiciel approprié pour charger les fichiers nécessaires. Le système est conçu pour permettre ces mises à jour sans nécessiter d'outils spéciaux.

#Instructions d'utilisation

Après avoir assemblé le matériel, les utilisateurs devront connecter les sorties de la carte son à l'entrée de l'amplificateur. Un haut-parleur peut ensuite être connecté à l'amplificateur.

Le système nécessite une alimentation de trois adaptateurs de 12 V, et les utilisateurs devront installer les pilotes nécessaires sur leur ordinateur pour faire fonctionner la carte son.

#Formes d'onde audio

La carte son a une mémoire divisée en sections pour stocker des fichiers sonores. Chaque section peut contenir des données audio significatives, permettant de nombreuses options de lecture.

Les utilisateurs peuvent télécharger des sons ou en créer de nouveaux à l'aide de scripts fournis dans le dépôt du système.

#Interface graphique (GUI)

Une interface graphique intuitive est disponible pour aider les utilisateurs à créer et à charger facilement des fichiers sonores sur la carte son. Cette interface permet de générer divers types de sons sans avoir besoin de connaissances approfondies en codage.

Les utilisateurs peuvent créer des tons, des bruits, ou charger des fichiers externes, et ils ont la possibilité de visualiser leurs formes d'onde sonores avant de les télécharger.

#Interface du dispositif

La carte son peut être contrôlée de plusieurs manières, y compris à travers un environnement de programmation visuelle. Ce setup offre un moyen flexible de gérer la lecture audio et d'ajuster les paramètres au besoin.

Une entrée de déclenchement externe permet de prendre des décisions rapides sur la lecture sonore, garantissant que les utilisateurs peuvent répondre efficacement à leurs besoins expérimentaux.

#Validation et caractérisation

Pour assurer la qualité sonore, une série de tests ont été effectués sur le système audio. Cela a inclus la mesure de différents paramètres de performance pour garantir qu'il répond aux besoins des chercheurs.

#Caractérisation des formes d'onde et de la sortie sonore

Divers métriques ont été enregistrés pour comparer les performances du système, permettant aux chercheurs d'évaluer la clarté et la qualité sonore. Cela a inclus la mesure de la sortie maximale, des niveaux de bruit, et de la fidélité sonore globale.

#Caractérisation de la latence de déclenchement

La latence, ou la rapidité avec laquelle le système réagit aux déclencheurs pour jouer des sons, est cruciale en recherche. Des mesures ont confirmé que le système peut délivrer des sons dans la milliseconde suivant un déclencheur, le rendant adapté à divers setups expérimentaux.

#Conclusion

Le système audio proposé présente une approche économique et open-source pour la génération de son de haute qualité pour la recherche scientifique. Il surmonte de nombreuses limitations des systèmes audio standards en offrant une gamme de fréquences plus large et une distorsion plus faible.

La carte son et l'amplificateur fonctionnent ensemble pour créer un setup audio robuste qui peut facilement s'adapter à divers besoins de recherche. L'évaluation et la caractérisation soigneuses du système garantissent que les chercheurs ont un outil fiable pour étudier les stimuli auditifs dans les expériences.