Petite leçon d'acoustique

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J'aurai du commencé par là !
Le niveau de pression SPL est un rapport entre la pression mesurée et la pression de référence définie comme le seuil d'audition à 1000Hz en sinus pur (2*10-5 Pa).

Il existe d'autres niveaux SPL notamment le décibel A qui modélise la réponse de l'oreille à faible niveau. On ajoute alors des dB selon les bandes d'octave (1 octave= doublement de la fréquence, par exemple 50 et 100Hz) à ajouter pour être plus proche de ce qu'entend réellement l'oreille. Concrètement, on enlève des décibels dans les fréquences basses (<250 Hz) et on en ajoute dans les aigus vers la résonance du conduit auditif (entre 3000 et 5000 Hz).

Vous pouvez retenir que l'oreille est moins sensible aux basses et plus au médium. Si vous voulez avoir une idée, allez voir les courbes de Fletcher et Munson.

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La fréquence est le nombre d'oscillations par seconde (1Hz = 1 oscillation). Elle est appelée hauteur en musique et se réfère à la position de la note sur la portée. Une relation simple lie fréquence et hauteur. Les intervalles sont réguliers dans la musique occidentale depuis l'apparition du clavier tempéré (Bach).

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Un delay est juste un son retardé. Il peut être produit par pédale de guitare ou autre. Avec les dispositifs modernes utilisés en concert, il est possible de régler les retards afin de compenser les différences de temps d'arrivée entre les enceintes les plus proches et les plus lointaines.

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Le chapiteau de Marciac est un exemple de mauvaise salle. Un chapiteau est assez haut de plafond ce qui implique de nombreuses réflexions et donc un temps de réverbération élevé, indicateur principale de l'acoustique d'une salle. Le temps de réverbération est défini comme la durée nécessaire à une diminution de 60dB SPL du niveau sonore. Il est lié au volume de la salle et à ses capacités d'absorption (mousse acoustique, résonateurs). Pour mieux diriger le son depuis quelques années, les enceintes de type line array sont utilisées. Les ondes acoustiques sont alors dirigées vers le public et non les parois.

Les salles doivent être adaptées à la musique jouée, le jazz vocal ou la chanson dans un chapiteau, c'est particulièrement mal adaptée, il est difficile de comprendre ce qui est dit ou chanté ! Les musiques amplifiées ont besoin d'une salle le plus neutre possible d'un point de vue acoustique, les effets sont déjà contenus dans la musique.

Une chanson dans differentes acoustiques : http://www.novaplanet.com/novamag/47599/une-experience-acoustique-une-meme-chanson-dans-15-lieux-differents

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http://www.blogotheque.net/2008/11/12/fleet-foxes/
Bon, il y a une bêtise en début d'article ce n'est pas l'écho qu'ils cherchent mais la reverbération. L'écho est juste une réflexion. La réverbération naturelle comme dans une église en pierre peut être recherchée à condition que la musique s'y prête (orgue ou voix) c'est à dire à un tempo assez lent et sans impulsions (batterie par exemple) qui dure alors longtemps (plusieurs secondes !).

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Un peu d'acoustique musicale.
Qu'est ce qui différencie les instruments entre eux ?
plusieurs éléments :
- le timbre ou le spectre si vous préférez ;
- les transitoires d'attaque et d'extinction (lorsque l'on commence à jouer ou l'on s'arrête ;
- présence d'harmoniques pairs et/ou impairs ;
- harmonicité de l'instrument (ce n'est pas le cas d'une trompette réelle), cela signifie que les harmoniques ne sont pas multiples entre eux ;
- la façon dont les cordes par exemple sont frappées (différence piano/guitare).

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Le son est juste magnifique

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Phasing sur la batterie de John Bonham. Cela permet de faire croire qu'il y a plusieurs instruments et non pas un seul.

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Un instrument à vent est un compromis entre l'énergie qui reste à l'intérieur du résonateur et l'énergie rayonnée (celle que l'on entend). Le pavillon joue un rôle important dans la directivité (l'endroit où le son est rayonné).

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Une question qui revient souvent : quelle est la différence entre analogique et numérique ?
Ce n'est pas vraiment de l'acoustique, plutôt du traitement du signal.

L'analogique c'est assez simple à expliquer et à concevoir. Toutes les grandeurs de la nature (la pression, le débit, la température...) sont analogiques, leurs valeurs changent à chaque instant et ce de façon continue (on peut tracer la courbe sans lever le crayon).

Le numérique au contraire ne se trouve pas dans la nature. C'est en quelque sorte une approximation de la mesure d'une grandeur analogique. Je m'explique, il est impossible de tracer la courbe sans lever de crayon, la mesure de la grandeur est effectuée à une certaine fréquence appelée fréquence d'échantillonnage. Cette fréquence doit respecter la règle de Shannon qui dit que la fréquence d'échatillonnage doit être supérieure à deux fois la fréquence maximale contenue dans le signal original. C'est la raison pour laquelle les CD audios, numérique donc sont échanttillonés à 44.1 kHz, l'homme est capable d'entendre jusqu'à 20kHz pour les plus jeunes, donc au delà de cette limite les fréquences sont filtrées (fortement atténuées). Le numérique est partout : CD, MP3, FLAC...

A noter que beaucoup de chose se jouent lors des conversions analogique/numérique et numérique/analogique. Il y a des erreurs plus ou moins grandes entre la valeur "vraie" et la valeur échantilonnée. Le signal transmis à l'amplificateur et à vos haut-parleurs est toujours analogiques, et la musique est souvent enregistrée à l'aide de capteus analogiques Ces conversions ont lieue tout le temps !

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L'oreille humaine est un système assez complexe. Pour avoir une idée de ce que vous entendez, allez voir les courbes de Fletcher & Munson (http://www.son-video.com/Conseil/caisson-basses-perception-son.html). Elles indiquent que l'oreille humaine est sourde pour les basses fréquences (inférieures à 200 Hz) mais qu'elle est douée pour les fréquences moyennes entre 1000 et 6000 Hz. Ces fréquences sont particulierement importantes dans le signal de parole.

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Objet mathématique nommé distribution (plus compliqué à définir qu'une fonction) et qui vaut une valeur infinie en 0 et 0 pour les autres fréquences. Il est utilisé pour modéliser une impulsion théorique ce qui permet de donner la réponse impulsionel d'un système. Pour l'acoustique d'une salle, la réponse impulsonnelle donne toute les caractéristiques de la salle (modes, absorption, réflexion).

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White noise : bruit qui contient en théorie la totalité des fréquences avec chacune une amplitude égale. En pratique le système de restitution et notamment l'enceinte acoustique ne restitue pas l'ensemble des fréquences de la même façon. L'intérêt est de pouvoir tester l'intégralié des fréquences d'un coup lors d'une mesure.

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Les modes sont présents souvent acoustique dans une salle ou dans un instrument. Ils symbolisent des inégalités de pression ou de déplacement suivant la position. Apparaissent alors des ventres (maximum) et noeuds (minimum) de pression. Ils se calculent très bien pour une salle parapipédique. Ils sont très important à prendre en compte dans une petite salle (i.e chambre, salon, studio d'enregistrement). En basse fréquence (<500 Hz) ils sont relativement espacés et sont parfois gênants. Au delà de la fréquence de Schroeder qui dépend de la salle, ils ne sont plus à prendre en compte car trop rapprochés, une analyse numérique est alors nécessaire.

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L'outil bien pratique qui permet de passer du signal temporel au domaine des fréquences. Il part du principe que tout signal peut se décomposer en une somme de sinus.

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Les harmoniques sont les multiples de la fréquence fondamentales.Par exemple f1=50Hz, f2=100Hz, f3=150Hz. Ils peuvent être absent ou plus important que la l'amplitude de la fréquence fondamentale.C'est le poids des différents harmoniques qui permet de diffférencier deux guitares acoustiques.
Le système auditif est capable de les recréer à partir des harmoniques de rang supérieur. C'est bien pratique pour les haut-parleurs des téléphones qui sont bien incapables de produire les fréquence fondamentales de la voix (~100Hz).

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Beaucoup de choses assez différentes peuvent être vues comme un filtre. Un filtre est une boite avec une entrée et une sortie. Le signal est modifié par son passage dans le filtre, cela peut vouloir dire augmentation des fréquences graves, d'une banque de fréquences uniquement, retard, echo...

Pour faire une comparaison avec la lumière. Si la lumière est blanche, elle peut être bleu, rouge, verte, etc après son passage par le filtre.

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L'isolation acoustique correspond à l'atténuation apportée par une cloison entre (ou différence de nivaeuen dB SPL) entre par exemple une salle qui possède une source sonore et une salle réceptrice. Pour un porte normale c'est environ 30 dB !
Des réglementations déterminent les isolations minimales d'un appartement vis à vis des autres logrements, couloirs ou de l'extérieur.

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Lorsqu'une onde acoustique rencontre une surface, elle se décompose en trois parties :
une onde réfléchie
une onde transmise
une onde absorbée par le matériau.

L'absorption totale corerspond à l'absence de réverbération, le son provient uniquement de la source. Elle est impossible à obtenir en basse fréquence (<200Hz).
Les matériaux absorbants souvent des mousses sont utilisés dans les studios d'enregistrements, les salles de concert, les cantines afin de diminuer la réverbération.

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Localisation des sons en 3D et localisation des sources à l'aide des deux oreilles.
Pour connaître la position d'une source, l'oreille humaine utilise deux principes : ITD et ILD. Le premier compare les temps d'arrivée à chacune des deux oreilles: si le son parvient avant à l'oreille gauche, l'oreille en déduit que la source est à gauche. ILD correspond à une différence d'intensité entre les deux oreilles. L'utilisation de ces deux grandeurs par le système auditif dépend de la fréquence. En basse fréquence, ITD est dominant, en haute fréquence ILD prend le relais.

Petit exemple pratique impressionnant le classique "virtual barber shop" : http://www.youtube.com/watch?v=IUDTlvagjJA

Autres exemples : http://www.binaural.fr/

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Pour 5 haut-parleurs satelites hautes fréquences et 1 caisson de basse. Le principal problème est que le 5.1 fonctionne bien uniquement pour une position au centre des 6 haut-parleurs. Une autre limite est qu'il a ètè conçu pour le cinéma donc les bruits venant d'en face sont favorisés. Enfin, il n'y a pas de source au-dessus, ce n'est donc pas vraiment du son 3D.

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DSP ou digital signal processor, est un processeur dédié à l'audio, à l'architecture différente d'un processeur de PC classique. Il permet de traiter les données en temps réel mais cela nécessite une manière de coder particulière (le temps d'exécution du programme est limitée). Ils permettent de filtrer un grand nombre de signal et d'atteindre des ordres donc des pentes impossibles avec des filtres analogiques.

Les DSPs sont utilisés aussi bien dans les pédales de guitare que dans les enceintes à directivité contrôlée (on en trouve dans les gares, colonnes à Montparrnasse).

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CD = Compression Driver
C'est une chose assez bizarre, un haut-parleur électrodynamique avec une pièce devant la membrane puis un pavillon. Cela possède un très bon rendement et produit un fort niveau (+de105dB SPL). On en trouve dans les cinéma ou les enceintes de sonorisation. Et c'est accessoirement ce sur quoi je travaille !

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pour Impulse response ou réponse impulsionnelle. La réponse impulsionnelle est un signal temporel qui contient toutes les informations relatives à un système à une position donnée. Elle est mesurée avec l'explosion de ballons ou d'un tir de pistolet. L'analyse de la réponse impulsionelle permet de connaitre la distance au mur le plus proche à l'aide des premières réflexions mais aussi le matériau du mur (absorbant ou réfléchissant).

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Noise (bruit donc). La principale différence entre un son et un bruit c'est que l'un dérange (bruit) et l'autre veut être entendu. Un bruit contient en général un très grand nombre de fréquences. Cela devient difficile à interpréter pour notre cerveau à cause de l'accumulation d'informations. Le cerveau interprète toujours ce que l'on entend, ce n'est pas comme un microphone, cela nous permet de comprendre une personne proche dans un environnement bruyant.
PS : Pas de sons dans l'espace, pas de milieu pour la propagation.

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Chacun a une audition différente qui dépend de la longueur et grosseur du canal auditif dont la résonance va favoriser la bande 3000-5000 Hz. L'age est aussi un facteur décisif, on entend jusqu'à presque 20 kHz à 18 ans puis la fréquence maximale écoutable baisse.

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En général, on s'intéresse à la propagation entre une source et un auditeur. Cela peut être très simple, comme pour une chambre anéchoique, le son qui pqrvient à l'auditeur provient uniquement de la source. En général, il existe toujours au moins une réflexion due au sol ou à un objet environnant qui devient à son tour une source. La réflexion d'une onde acoustique sur une arrête peut se diviser à certaine fréquences en une multitude de nouvelles ondes qui partent dans diverses directions.

En propagation extérieure et sur de grandes distances, beaucoup de facteurs tels le vent, l'absorption du à l'air, l'humidité sont à prendre en compte.

Enfin, dans l'eau (1582m/s contre 340m/s dans l'air) et à forciori dans les solide, le son se propage plus vite. Donc faire de la reproduction stéréophonique dans une piscine c'est très compliqué ! Les temps d'arrivée à chaque oreille étant très proches.

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"Masquage"
Lorsque deux sons sont proches en fréquences, le phénomène de masquage se produit. L'un des sons n'est alors pas perçu par l'oreille. Cette propriété est utilisée pour l'encodage en MP3.

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"Wave field synthesis"

Cela consiste à recréer un champ acoustique à l'aide d'une multitude de haut-parleurs. Pour le coup, contrairement au 5.1 c'est du vrai son 3D. Par exemple, il est possible d'entendre des sources situées au dessus de sa tête.

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Rapport signal à bruit en français. Souvent évalué en dB, un rapport signal à bruit positif signifie que le signal utile a une amplitude supérieure au bruit. A l'inverse un signal à bruit négatif veut dire que le bruit est supérieur au signal utile (dans un hall de gare le rapport signal à bruit est souvent mauvais par exemple).