TECHNIQUE ET MAO

LES CONTOURS DU SON ANALOGIQUE ET NUMÉRIQUE

Cette page fait suite à : LE SON ANALOGIQUE ET NUMÉRIQUE EXPLIQUÉ SIMPLEMENT

QUAND NOS OREILLES DEVIENNENT SENSIBLES…

Si l'acoustique sonore est 'encadrée' par des mesures, une fois de plus c'est l'oreille qui juge. Ainsi, un son de 60 dB à la fréquence de 1 000 Hz produira une sensation auditive plus forte que s'il est à une hauteur de 100 Hz. L'oreille est donc sensible au volume sonore et à leur fréquence, si bien que sans une certaine précaution d'usage, n'importe quelle musique peut rapidement devenir nuisible.

Mise en garde : à forte puissance, une sensation douloureuse peut naître, signe que les oreilles sont en danger. Combien de fois n'a-t-on pas entendu dire que la "génération Walkman" deviendrait une génération de sourds ! Un constat s'impose : si vous écoutez de la musique à un niveau pas assez fort pour avoir des sensations douloureuses, mais trop fort dans la limite du raisonnable, vos oreilles en payeront le prix… et il n'y a pas de retour possible ! Les appareils auditifs ne sont que des béquilles. Prenez en conscience !.

Nos oreilles aiment bien les fréquences qui se situent entre 1 000 et 5 000 Hz. C'est ainsi ! Nous percevons mieux les médiums que les aigus ou les graves. C'est pour ces raisons que nous flattons souvent nos oreilles en utilisant le 'loudness' (1) de nos amplificateurs lorsque nous écoutons de la musique à faible volume.

Techniquement, le volume sonore est généralement assimilé à de la dynamique que l'on traduit en décibels. Entre le son le plus fort recommandé par la prudence, et celui le plus faible, on obtient un écart de 100 dB. Aller au-dessus devient dangereux, surtout si le son se prolonge dans le temps, comme le ferait le son d'une basse synthétique. Un niveau de 120 dB n'est acceptable que dans la mesure où le signal est très bref, en crête, pas à la façon d'un 747 qui passe au-dessus de votre tête !

1. Loudness : correcteur physiologique présent sur les amplificateurs HI-FI. Utilisé à faible puissance, il permet de relever les basses et les aigus afin d'obtenir une sonorité à l'apparence plus ronde et colorée. Son utilisation donne la sensation d'un son plus équilibré sur toute la bande de fréquences audibles.

LES FRÉQUENCES ET LES HARMONIQUES

S'il existe des fréquences, des intensités, il existe également des couleurs sonores que l'on traduit sous l'appellation de timbre. Deux instruments de musique jouant une même note ne généreront pas le même timbre. Dans la construction d'un son, interviennent une fréquence fondamentale et des fréquences harmoniques.

Lorsqu'on évoque la richesse d'un son, c'est qu'il contient de nombreuses harmoniques. À l'inverse, un son pauvre en harmonique donnera la sensation que celui-ci est terne, sans relief. Les harmoniques constituent la 'carte d'identité' du timbre.

Si nous reprenons l'exemple du diapason, le LA 440 Hz sera constitué de l'harmonique fondamentale (440 Hz) et d'harmoniques aux fréquences plus aiguës : 880 Hz, 1320 Hz, 1760 Hz… Les rapports de fréquence s'établissant avec la fondamentale seront des quotients de nombres entiers.

QUELQUES INCONVÉNIENTS CONCERNANT L'ENREGISTREMENT

Le premier capteur du son est généralement le microphone. La qualité de cet élément est décisive, puisqu' il est le premier maillon de l'enregistrement sonore. Pour qu'un microphone capte toute l'agitation des molécules d'air, il doit être d'une grande sensibilité. Il doit posséder une membrane extrêmement fine pour réagir au moindre bruit. Or, la membrane du microphone a le défaut d'être fragile à fort volume (on ne compte pas le nombre de micros qui sont devenus hors d'usage après une mauvaise utilisation !).

Dans ce domaine comme dans tous les autres étages de l'enregistrement sonore, les micros se sont adaptés, transformés, pour faire face aux différents enjeux de la prise de son. Aujourd'hui, il en existe de différents types allant du dynamique à l'électrostatique en passant par ceux à ruban (voir ACHETER UN MICRO… DE LA SCÈNE AU HOME-STUDIO).

Si la plage des fréquences de nos oreilles est limitée, l'enregistrement peut aller bien au-delà. C'est même indispensable si l'on souhaite éviter les distorsions (appelées : rotation de phase) qui se situent aux extrémités du 20/20 000 Hz de référence. En utilisant une plage plus large (de 10 à 40 000 Hz, voire plus) on contournera en partie le manque de dynamique des graves et des aigus. Il faut bien sûr que l'amplification et les écoutes soient d'excellente qualité pour délivrer une telle plage.

Côté numérique et échantillonnage, le théorème de Nyquist a démontré que si l'on veut enregistrer en échantillonnant toutes les informations jusqu'à 20 kHz, il faut échantillonner au double de la fréquence. L'inconvénient de la procédure est de se retrouver avec des informations inutiles et qui produisent de surcroît des effets 'd'aliasing', effets qui s'estompent si l'on enregistre encore deux fois plus vite.

Pourtant, tout n'est pas encore parfait, car même si l'on réduit les effets 'd'aliasing', encore faut-il que l'ordinateur et les différents circuits soient capables de conserver intactes les valeurs numériques enregistrées. Si c'est correct pour un graveur de CD, un échantillonneur ou un séquenceur audio génèrent souvent des calculs approximatifs qui provoquent des 'erreurs d'arrondis' lors de la conversion.

Cependant, la distorsion de conversion est vraiment négligeable, bien moins que l'analogique qui entraîne inévitablement une dégradation du signal. La distorsion joue sur l'amplitude, le contenu harmonique, le calage des différentes fréquences, etc. Les modes de calcul numérique, tout en étant plus importants que les manipulations analogiques, ont permis de faire disparaître certaines distorsions considérées jusqu'alors comme inévitables.

LA QUALITÉ D'UN SON IDÉAL

Bien qu'en numérique, l'idéal serait d'échantillonner en 24 bits (2) et 80 kHz, le CD du commerce est livré en 16 bits 44,1 kHz. Bien que ce niveau demeure encore le standard officiel, il est depuis longtemps surclassé dans les studios d'enregistrement. Déjà, depuis quelques années, on peut se procurer des cartes sons travaillant en 24 bits. Toutefois, une telle dynamique impose que l'électronique embarquée dans les ordinateurs suive le même chemin, ce qui n'est pas toujours le cas !

En numérique, l'utilisation d'un '16 bits/44,1 kHz' est donc insuffisant pour enregistrer tous les sons. La marque Hohner a été une des premières à proposer un système complet fonctionnant sur 32 bits à la fin des années 90. Mais cela reste encore l'exception. Le plus souvent, les cartes à convertisseurs sont en 24 bits et doivent faire bon ménage avec des logiciels travaillant à un niveau inférieur (16 bits). Sachez également qu'avec 144 dB de dynamique, le traitement en 24 bits va bien au-delà de ce que les amplis du commerce sont capables de supporter.

À cela s'ajoute le problème du blindage qui doit être beaucoup plus efficace si l'on utilise des convertisseurs supérieurs à 16 bits, étant donné que les cartes vont se loger à l'intérieur d'un espace très réduit où circulent des tas de signaux électroniques à hautes fréquences. L'idéal est d'utiliser un convertisseur en rack doté d'entrées numériques S/PDIF.

2. Un bit = 6 dB

L'ENREGISTREMENT NUMÉRIQUE ET SES LIMITES

Comme précisé dans le premier paragraphe, l'enregistrement numérique s'appuie sur des valeurs numériques binaires (0 et 1). Le calcul des opérations se fait sans décimales. Tant que vous copiez un fichier sans apporter de modifications à l'original, la copie générée ne subit pas de dégradation. Elle est identique. Or, il suffit de modifier par exemple le volume pour que des nuances naissent.

Prenons un petit exemple tout simple : imaginons un échantillon qui a pour valeur 3. Si nous le divisons par 2, à la sortie nous aurons 1 et non 1,5, puisqu'il n'existe pas de décimales dans les calculs numériques. Ensuite, si nous souhaitons retrouver le niveau initial, la multiplication par deux donnera 2 et non 3.

À travers ce petit exemple, on peut imaginer aisément que des changements constants de volume entraînent des erreurs d'arrondis. C'est ainsi que le son se dégrade petit à petit à travers d'incessants calculs sans décimales. Bien sûr, comparé à l'analogique, le mal est moindre, car dans ce domaine en baissant de 10 dB le niveau sonore, vous vous rapprocherez du bruit de fond, et lorsque vous souhaiterez remonter au niveau initial, le bruit de fond augmentera d'autant.

Pour faire face, les échantillonneurs de dernières générations utilisent des chips spécialisés dans ce genre de calcul (la marque E-mu a été une des premières à se pencher sur ce délicat problème). Pour diminuer considérablement les erreurs, les calculs numériques s'établissent avec une précision nettement supérieure (allant jusqu'à 48 dB, voire plus). Ensuite, le résultat final est converti en 16 bits.

COMPRESSONS POUR CONCLURE

Déjà utilisé avec le son analogique, la compression est en informatique un procédé qui consiste à utiliser un encodage pour gagner de l'espace sur un disque dur, pour ensuite retrouver l'original grâce à un décodeur.

Si un fichier texte est souvent léger, ne pesant que quelques Ko, un fichier audio d'une minute peut facilement dépasser plusieurs Mo, ce qui représente des dizaines de pages dactylographiées. Exemple : un enregistrement de 3 minutes en stéréo pèse plus d'une trentaine de Mo !

Lorsque l'on compresse un fichier au format zip, le logiciel tente de réduire les données sans en perdre. C'est là son grand avantage. Mais pour aller au-delà, quand on cherche à réduire radicalement le poids du fichier, il faut alors admettre que des informations seront perdues.

Le célèbre compresseur de fichier audio, le MP3, part du principe qu'en éliminant certaines fréquences jugées inutiles, on allège le fichier, sans ressentir à l'écoute de sensations trop négatives. Après la compression, qui peut atteindre 80 %, le morceau de 3 minutes stéréo passe de 30 à 5 Mo (voire moins si l'on accepte une dégradation du son plus importante).

En studio, des systèmes de compression numérique de meilleure qualité sont utilisés. Proposés notamment par les marques Sony, Philips ou Roland, les appareils de compression utilisent un procédé différent dont le fondement repose sur le fait qu'il existe tout un tas de sons que l'on n'entend pas (l'expérience veut qu'à la suite d'un son fort, on ne perçoit pas certains détails sonores pendant un temps très bref, de l'ordre de quelques millisecondes).

Mais la compression est-elle toujours indispensable ? Si son usage pour un MiniDisc ou un baladeur aux prouesses technologiques limitées semble évident, compresser un fichier devient inutile quand on dispose d'un disque dur de plusieurs centaines de Gigaoctets… à moins, bien-sûr, de vouloir faire voyager votre fichier à travers une messagerie ou pour le déposer en mode streaming sur la Toile !

Pour ceux qui travaillent le montage numérique audio, il existe un moyen de réduire le poids des fichiers, c'est en 'jouant' avec les silences grâce aux pistes virtuelles. Comme dix secondes de silence valent dix secondes de musique, autant programmer un timing précis qui indiquera tous les points de démarrage de la musique. En gommant les silences, votre fichier audio n'en sera que plus léger !

Par Elian Jougla

SUITE : LA DYNAMIQUE DU SON NUMÉRIQUE