Technologie audio
Comment fonctionne une bande magnétique?
Une bande magnétique garde le souvenir de certains événements et peut les restituer. La tête d'enregistrement fonctionne comme un aimant qui change continuellement de pôle sous l’effet du signal électrique oscillant. Une bande magnétique mue par un moteur électrique se déroule d’une bobine. Les particules métalliques de la bande s'orientent dans le sens du champ magnétique créé par l’électroaimant de la tête d'enregistrement. La bande s'enroule: l'orientation des particules reste: on dit que l’aimantation est permanente.
Le passage de la bande devant la tête de lecture permet de restituer le signal électrique à la bonne fréquence si la vitesse du moteur est constante et stable.
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Le cerveau commande l’action des muscles respiratoires (le diaphragme et les muscles intercostaux) permettent l'inspiration (entrée de l'air) et l'expiration (sortie de l'air) des poumons. L0rs de l’expiration, les poumons sont comprimés.
Son fort
Son faible
Son trop fort
Au début, il y a le son. Il est produit par un objet qui vibre: une corde, une membrane ou un oscillateur électronique par exemple. Les vibrations sont transmises à l'air qui constitue notre atmosphère. On peut les décrire comme une suite de pressions et de dépressions autour d'une valeur d'équilibre, la pression atmosphérique.
Le micro électrodynamique contient un électroaimant qui traduit les variations de pression de la membrane en oscillations électriques. Il est robuste (idéal pour la scène) et de prix abordable. Le système est réversible et permet de réaliser un haut-parleur.
Le micro électrostatique ou micro à condensateur a une bande passante très large (jusqu'à 30'000 Hz) et permet de reproduire un son avec haute fidélité. Mais il est cher et fragile et nécessite une alimentation électrique (48 V). Il est généralement réservé à la prise de son en studio.
Le micro piézoélectrique utilise une propriété de certains cristaux comme le quartz. Il fait apparaître une différence de potentiel électrique à ses extrémités lorsqu'il est soumis à une pression. Il permet la réalisation de micros miniaturisés (dans un téléphone portable par exemple).
On ne peut pas brancher un micro directement dans un ordinateur, on doit passer par une interface: une MBox par exemple. Elle comporte différentes entrées : XLR ou Jack (TS et TRS). Le signal resort par un câble USB compatible avec l'ordinateur.
La prise de son, ou enregistrement, traduit les vibrations sonores en oscillations électriques.
Avec un enregistreur multipiste, on enregistre les instruments les uns après les autres, puis on reconstitue l'ensemble lors du mixage final.
Lors du mixage, on additionne les sons des différentes pistes d'instruments mais aussi le bruit de fond de chaque enregistrement. Il faut que le rapport entre le signal et le bruit de fond soit le plus grand possible. Dans un enregistrement professionnel on considère généralement que:
signal / bruit > 20 dB
Ce rapport s'exprime en décibel (dB). On peut donc dire que le rapport signal / bruit de fond doit dépasser 20 dB.
Précautions à prendre lors de l'enregistrement afin d'augmenter le niveau du signal et diminuer le bruit de fond:
Un haut-parleur est un transducteur électromécanique. Il traduit un signal électrique en vibrations sonores, c'est à dire qu'il fait exactement l'inverse du microphone.
Il existe de nombreux types de haut-parleurs:
Le micro omnidirectionnel capte les sons venant de toutes les directions. Il est idéal pour enregistrer des ambiances sonores. Il est très sensible aux réverbérations.
Le micro unidirectionnel capte surtout les sons venant de l'avant. Il est idéal pour enregistrer une voix ou un instruments solo. Les réverbérations venant de l'arrière ont peu d'effet sur lui. On l'appelle aussi micro cardioïde à cause de sa courbe en forme de cœur.
Le micro hypercardioïde est une « caricature » du micro cardioïde ou directionnel. Il est idéal pour capter des sources ponctuelles de sons éloignés (comme des dialogues de cinéma par exemple).
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Il ne faut pas oublier non plus de sortir du local les instruments qui pourraient entrer en résonance par sympathie, (cymbale, gong, guitare, caisse claire, tambour,...)
Il faut éviter au maximum les frottements des souliers ou habits ainsi que les cliquetis des instruments.
«araignée», système de suspension élastique
Le local d'enregistrement doit être isolé de l'extérieur afin d'éviter d'éventuels bruits de rue, d'avions ou d'oiseaux par exemple. Un local en sous-sol est une bonne solution, car les portes et les fenêtres sont des surfaces mal isolées.
Pour qu'un objet quelconque (dessin, texte, photo ou musique) soit traité par un ordinateur, il faut le traduire en une suite de nombres. Mais comment peut-on transformer une musique en nombres? Comment mesurer la musique?
Un convertisseur analogique-numérique est un montage électronique qui traduit une valeur analogique en une valeur numérique. Cette opération s'appelle l'échantillonnage en français et sampling en anglais.
Chaîne électro-acoustique
8. Le micro
Le mot “microphone” vient du grec micro (petit) et phone (voix). Le micro est un objet qui traduit les variations de pression au cours du temps en variations de courant électrique. C'est un transducteur. En physique, un transducteur est un dispositif qui convertit une grandeur physique en une autre.
La membrane du micro vibre sous l’effet des variations de pression. Cela produit des variations électriques dans le solénoïde (bobine) plus ou moins identiques aux vibrations acoustiques. Il traduit plus ou moins fidèlement le son.
Il existe trois types de microphones:
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La dynamique du son
14. L’enregistreur numérique et l’échantillonnage
Nous avons vu qu'une information codée sur 4 bit donne 2x2x2x2 = 16 valeurs différentes. Ce n'est pas suffisant pour prendre en compte la complexité et la dynamique musicale. Sur un CD on utilise une information codée sur 16 bit donne 2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2x2 = 65'536 valeurs différentes.
Le mixage final est sauvegardé sous la forme d'un fichier au format AIFF (Audio Interchange File Format). Les données ne sont pas compressées. Elles sont codée en 16 bits, stéréo 44,1 kHz et peuvent être transférées sur un CD.
On peut donc reprendre notre exemple avec les valeurs du signal en langage binaire (base 2) :
Base 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Imaginons un système de codage où le signal est numérisé sur une échelle à 16 valeurs (de 0 à 15). Le signal analogique (à gauche) devient ci-dessous un signal numérique grossier avec des variations comme des marches d'escalier.
16. Le haut-parleur
comparaison entre un matériau réverbérant (lisse) et un matériau isolant (poreux)
Le résultat final n'est pas très fidèle mais on a déjà réussi à traduire une vibration sonore en une suite de nombres : 8 - 12 - 10 -11 - 8 - 5 - 4 - 5 - 8 - 12.
Le problème est qu'un ordinateur ne compte pas comme nous en base 10, mais en base 2 : il n'a que deux symboles (chiffres) pour exprimer des nombres : 0 et 1. En effet, dans un circuit électronique, le courant peut passer (niveau 1) ou ne pas passer (niveau 0). On donne à ces éléments primaires 0 et 1 le nom de bit (de l'anglais BInary digIT). L'ordinateur va donc traduire la suite de nombre non pas en base 10 comme dans le dessin précédent mais en base 2. Pour réaliser notre échelle comportant 16 niveaux, il faut 4 bits (une succession de 4 symboles 0 ou 1). Comme nous n'avons pas l'habitude de compter en base 2, un tableau de conversion s'impose :
Numérisation d'un son
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La bande passante est la fenêtre de sensibilité du micro. On considère que la bande passante de l'oreille humaine couvre les fréquences comprises entre 20 et 20'000 Hz.
La courbe de réponse est à toutes les fréquences. Le micro peut capter plus ou moins certaines fréquences.
La directionnalité. Il en existe trois types différents.
• électrodynamique
• électrostatique
• piézoélectrique
Le haut-parleur électrodynamique est le plus courant.
La puissance est exprimée en Watt (W).
La bande passante est exprimée en Hertz (Hz). Elle correspond à la plage de fréquence que le haut-parleur peut restituer.
Le rendement est exprimé en dB. Il s'agit de la pression acoustique mesurée à un mètre du haut-parleur, lorsqu'on lui fournit une puissance d'un Watt.
L'impédance est exprimée en Ohm. C'est la «résistance» du haut-parleur au passage du courant alternatif .
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Caractéristiques techniques d'un haut-parleur:
Micro ‘Mildé’, 1897
Micro ‘Voxia’ , 1897
silence
son
son amorti
retour à l’équilibre
(silence)
Le silence est un “idéal” impossible à atteindre. L’atmosphère est le lieu d’une agitation permanente et cahotique. Le silence est en fait un léger “bruit de fond”.
bruit de fond
son (amorti)
bruit de fond
Caractéristiques d’un son
Certaines vibrations sonores n’ont aucune régularité. Elles sont cahotiques et on les assimile à du bruit.
D’autres vibrations font apparaître des oscillations régulières qui sont généralement plus agréables à l’oreille: on les assimile à des sons musicaux.
A moins d’être entretenu, un son finit toujours par être amorti et se “fondre” dans le bruit de fond.
interface MBox
fiche XLR mâle
fiche XLR femelle
fiche Jack mâle
Base 2 (binaire)
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
saturation (signal écrêté)
enregistrement sans saturation
Il faut enregistrer avec le volume d'entrée maximal, en faisant attention cependant à ne pas dépasser le seuil de saturation.
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Il ne faut pas oublier de prévoir des revêtements absorbants sur les parois ainsi que sur le plafond de manière à empêcher l'enregistrement d'échos indésirables. Lorsqu'on enregistre en multipiste, on essaie toujours d'avoir l'acoustique la plus «sèche» possible.
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Le fait de fixer le micro au moyen d'une «araignée», un système de suspension élastique, permet de l'isoler des vibrations du sol transmises par le pied de micro.
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dans le rouge !
niveau d’enregistrement
échantillonnage d’un CD
échantillonage
1000 1100 1010 1011 1000 0101 0100 0101 1000 1100
La suite de nombre devient :
On peut mesurer les variations de pression (amplitude) dans l’espace. On peut ainsi définir la longueur d’onde d’une oscillation.
On peut aussi mesurer les variations de pression (amplitude) dans le temps. On peut ainsi définir la période d’une oscillation.
On peut définir les caractéristiques d'un micro:
17. L’oreille et l’audition
L’échantillonnage à transformer un signal analogique (une courbe constituée d'une infinité de points) en signal numérique (formé d'un nombre fini de points), en capturant des valeurs à intervalle de temps régulier.
La fréquence à laquelle les valeurs sont capturées est la fréquence d'échantillonnage, exprimée en Hertz (Hz). C'est le nombre d'échantillons par seconde. Un CD audio contient des données musicales échantillonnées à 44,1 kHz soit 44100 échantillons par seconde.
Si la fréquence d'échantillonnage est trop faible, les valeurs seront très espacées et le signal original ne sera pas traduit en toute fidélité.
Si elle est trop grande, les informations occupent un grand espace de stockage. Le théorème de Shannon postule que la fréquence d'échantillonnage doit être le double de la fréquence du signal échantillonné.
Comme l'ouïe humaine perçoit les sons jusqu'à 20'000 Hz, le théorème de Shannon impose donc une fréquence d'échantillonnage d'au moins 40'000 Hz (en réalité de 41'100 dans un CD).
entrées XLR
entrées TSR
sortie USB
9. Les conducteurs électriques
Enregistrement et traitement des sons avec Protools
Pro Tools est une station audio-numérique produite par la firme Avid Technology.
C'est un programme qui permet d'enregistrer, manipuler et arranger des fichiers audio numériques. Il est composé de
Un ordinateur
Un convertisseur analogique-numérique intégré dans l'ordinateur
Un enregistreur multipiste intégré dans l'ordinateur
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Comme n’importe quel langage, la musique transmet des informations. Celles-ci sont produites par un émetteur en direction d’un récepteur / auditeur. Les informations sont transmises par un canal de communication qui peut prendre des formes différentes.
Ce schéma est trop simple. Nous allons dans cette page nous intéresser aux différents chemins que peut prendre l’information musicale pour passer du cerveau d’un musicien à celui d’un auditeur.
1. Le cerveau
2. Le diaphragme
le diaphragme
3. Les poumons
4. Les cordes vocales
6. Le son
7. La rétroaction et la justesse
10. Le signal et le bruit de fond
11. L’amplification
12. Le mixage
13. L’enregistreur analogique
15. La transmission sans fil
18. Le cerveau auditeur
Cependant, lors de l'amplification du son, le bruit de fond est également augmenté, comme dit précédemment. C'est pourquoi, lorsqu'on effectue la prise de son, il faut régler le volume d'entrée de façon à ce que l'instrument joue le plus fort possible, pour éviter que le bruit de fond prenne trop d'importance comparé à l'instrument enregistré, mais pas trop non plus, car il y aurait alors le problème de la saturation.
Amplification du signal
Amplification et saturation d'un son
Le microphone délivre des "micro-oscillations" qui n'ont pas l'énergie suffisante pour faire vibrer la membrane d'un haut-parleur (HP). De même les fichiers musicaux stockés sur différents supports (CD, disque dur) doivent être aussi amplifiés avant d'être envoyés dans un haut parleur.
Le rapport d'amplification entre l'entrée du signal (IN) et la sortie du signal (OUT) s'appelle le gain. Il s'exprime en dB.
Lorsqu'on augmente le niveau d'entrée, on arrive à partir d'un certain moment au niveau de saturation. Les crêtes du signal sont coupées et le timbre est transformé.
La saturation est l'ennemi numéro 1 du preneur de son car on ne peut pas la retoucher. Cependant, dans certains cas, celle-ci est un effet recherché. La guitare électrique dans le rock, par exemple, utilise beaucoup la saturation.
L’oreille externe
Les vibrations de l’étrier se transmettent à la membrane vestibulaire (7), «porte d’entrée» du labyrinthe de l’oreille interne.
Le labyrinthe est une cavité complexe «creusée» dans l’os. Il contient un liquide qui transmet les vibrations. Ce labyrinthe est formé de 3 parties :
Le pavillon (1) dirige les ondes sonores dans le conduit auditif. Certains animaux peuvent orienter leurs pavillons dans la direction du son.
Le conduit auditif (2) est une cavité «creusée» dans l’os temporal qui mène au tympan. Il est recouvert d’une peau qui abrite des poils et des glandes qui produisent une cire : le cerumen.
L’oreille moyenne
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Le tympan (3) est une membrane qui vibre sous l’effet des ondes sonores. Il transmet ces vibrations à la chaîne des osselets.
Les osselets sont 3 os minuscules : le marteau (4), l’enclume (5) et l’étrier (6). Ceux-ci sont logés dans une petite cavité remplie d’air et tapissée d’une muqueuse. Celle-ci peut être colonisée par des bactéries qui remontent de la gorge par la trompe d’Eustache (9). L’infection et l’inflammation de la muqueuse de l’oreille moyenne s’appelle l’otite.
2 petits muscles (M) relient les osselets avec la paroi de l’oreille moyenne. Ils permettent d’atténuer les sons trop forts et de protéger tout le système auditif. Le muscle du marteau tire sur le tympan qui se tend et vibre avec moins d’amplitude. Le muscle de l’étrier diminue la transmission des vibrations vers l’oreille interne.
L’oreille interne
Le vestibule qui contient des vésicules qui abritent les récepteurs de l’équilibre ;
Les canaux semi-circulaires (10) qui permettent de s’orienter dans un espace soumis à la gravitation ;
La cochlée (11) qui permet d’entendre des sons.
a.
b.
c.
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le diaphragme
les poumons
la trachée
le larynx et les cordes vocales
la cavité nasale (nez)
la cavité buccale (bouche)
la langue
les lèvres
l’épiglotte
la trachée
une bronche
le coeur
vers les cordes vocales
Lors de l’expiration, l’air est expulsé dans la trachée en direction des cordes vocales.
Les «cordes vocales» ne sont pas vraiment des cordes mais des replis souples, des membranes constituées de muscles et de muqueuse. Lorsque nous respirons ces plis vocaux sont écartés et détendus. Si nous bloquons notre respiration, les plis se tendent et obstruent le larynx.
La compression des poumons expulse l’air contenu dans les alvéoles dans les bronches puis la trachée. Cette trachée, un tuyau d’environ 1,5 centimètre de diamètre, est maintenue ouverte grâce à des pièces rigides de cartilage en forme de fer à cheval.
Coupe du
système respiratoire
La fréquence de vibration des cordes vocales est déterminée par le jeu de divers muscles dans et autour du larynx. Une corde vocale est tendue entre le cartilage aryténoïde et le cartilage thyroïde. Lorsque les cartilages aryténoïdes pivotent, les cordes vocales changent de position, de tension et d’épaisseur permettant de varier la fréquence du son et donc de sa hauteur.
Pour émettre des sons (parlés ou chantés) les plis vocaux («cordes vocales») s’accolent et laissent passer des «bouffées d’air» à intervalles réguliers en produisant des vibrations.
λ
A
I
E
O
U
A E I O U
Amplitude
Temps
1 s
2 s
Fréquence
[ Hz ]
Temps
Enregistrement de différentes voyelles
Sonogramme de la toux
Fréquence
[ Hz ]
A
E
I
O
U
Temps
Les sons produits par la vibration des cordes vocales entrent en résonance avec différents organes: des «résonateurs» comme la cavité buccale, les fosses nasales mais aussi la cage thoracique, le pharynx, les os du crâne et les sinus. Le timbre de la voix peut donc être modulé en activant différemment les résonateurs. C’est ce qu’on peut observer lors de l’émission des différentes voyelles.
le larynx est parfaitement descendu dans la gorge, les sons sont timbrés.
le larynx est monté dans la gorge, les sons sont minces et légers.
Il permet de produire des sons suraigus (au-delà de 1 500 Hz).
Lorsque le larynx monte ou descend dans la trachée, il modifie le fonctionnement de l’appareil vocal. On peut définir 3 modes de fonctionnement du larynx:
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La « voix de poitrine »
La « voix de tête »
La « voix de sifflet »
Les mouvements de la langue et des lèvres permettent d’obtenir des sons avec différentes «attaques»: les consonnes. En linguistique, on peut classer les consonnes en plusieurs familles. Retenons:
les dentales:
les labiodentales:
les labiales:
les gutturales:
t, d,...
f, v,...
p, b,...
k, g,...
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sont formées par les mouvements de la langue sur les dents.
sont formées par les mouvements des lèvres sur les dents.
sont formées sans l’aide des dents.
sont formées sans l’aide des dents.
5. Les lèvres, la langue et les dents
Le mouvement de la langue et des lèvres permettent de varier le timbre du son mais aussi de créer des attaques sonores caractéristiques des consonnes.
Les dents jouent un grand rôle lors de la formation des sons dans le langage parlé. Essayons de prononcer les mots «valise», «fille», «dent», «vitesse», «zèbre», «the end»,
Micros actuels
Les métaux (or, argent, cuivre, fer, aluminium, laiton, étain, nickel, plomb, zinc et acier) sontd’excellents conducteurs d’électricité mais aussi de chaleur.
On utilise les métaux pour conduire l’électricité et le plastique pour isoler.
gaine isolante en plastique
métal conducteur
Le caractère conducteur d’un métal comme le cuivre s’explique si l’on sait qu’à l’état solide les atomes sont bien rangés et que des électrons libres peuvent migrer et créer un courant électrique.
Dans tous les appareils électroniques on trouve des circuits imprimés. Ce sont des plaques de matière isolante (plastique, résine “epoxy”, fibre de verre) dans lesquelles sont gravés des chemins conducteurs en métal (cuivre). Ces chemins relient les composants électroniques qui constituent le circuit: diodes, condensateurs, transistors, résistances, et circuits intégrés (ou «puces» électroniques). On a donc besoin de beaucoup moins de fils électriques: on gagne beaucoup de place.
Les différents modules (micro, amplificateur, table de mixage, échantilloneur, instrument électronique,...) de notre «chaîne électroacoustique» sont reliés par des câbles constitués par des fils métalliques (généralement en cuivre). Leurs deux extémités sont munies de connecteurs (des fiches) qui peuvent prendre plusieurs formes.
Le nerf auditif (12) transmet le signal nerveux vers le cerveau.
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moteur électrique
alimentation électrique
tête d’enregistrement et lecture
bande magnétique enroulée
Son fonctionnement, relativement simple, est le même que celui d’un micro électrodynamique.
Le signal transmis par un conducteur électrique est produit par un mouvement ordonné des électrons dans le métal. Mais l’agitation perpetuelle des atomes dans la matière perturbe le signal en apportant une dose de désordre.
aire auditive
On peut considérer que notre «route du son» n’est qu’une succession de causes et d’effets. Les vibrations de l’air par exemple, sont la cause des vibrations de notre tympan ou de la membrane d’un micro. On peut noter:
Et comme ces effets deviennent la cause d’autres effets, on assiste à une série de causes à effets en cascade:
Dans le cas d’une rétroaction («feedback» en anglais) l’effet peut devenir la «cause de sa cause» !
La rétroaction peut avoir un effet amplificateur comme dans une réaction nucléaire en chaîne: on l’appelle rétroaction positive.
Elle peut au contraire mener à un équilibre: on l’appelle rétroaction négative. On peut citer de nombreux exemples de systèmes qui se régulent ainsi automatiquement comme le thermostat. Dans les systèmes vivants on voit la rétroaction négative à l’oeuvre dans la régulation du taux de sucre ou du pH sanguin et de la température corporelle. Elle permet aussi au cerveau d’ajuster la hauteur d’une note grâce au signal «feedback» capté par l’oreille.
