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Les bases de l'acoustique : la durée

La durée

Chronomètre en main, la notion de durée paraît évidente ! Mais dans la vie courante, nous n’avons pas à chaque instant les yeux braqués sur la pendule et chacun sait que l’évaluation psychologique du temps sans point de repère est très variable d’un individu à l’autre et surtout en fonction de l’intérêt de l’activité en cours : une heure devant un bon film ne passe pas de la même façon qu’une heure au milieu d’un embouteillage.

SignalFig.1a : Signal sonore original traité par une réverbération. Notez la décroissance progressive du niveau sonore

 


Si, pour le physicien le temps s’exprime en seconde, la façon dont le musicien peut le ressentir est plus fluctuante : variation comme l’accélération inconsciente du tempo ou manque de justesse liée au stress. En effet, la hauteur qui est définie par la fréquence, est une valeur liée au temps et dépend donc de l’évaluation psychologique que nous faisons de la seconde. Si celle-ci paraît plus courte ou plus longue, la note peut s’écarter de sa justesse réelle en un peu plus aigue ou en un peu plus grave.

 

La petite histoire dit qu’au moyen âge, donc bien avant l’invention du métronome en 1816, on se repérait par rapport au pouls humain. Mieux valait choisir un musicien de référence plutôt zen !

 

 

 

 

 

Signal reverseFig.1b : Le même signal, après passage dans un effet Reverse : on trouve le gain maximal à la fin du signal

Une expérience

 

Pour ceux d’entre vous qui se rappellent encore de ce que pouvait être un magnéto à bande, une note de piano passée à l’envers ne sonne plus du tout comme un piano et un texte de Racine écouté en retournant la bande, se met étrangement à ressembler… à du Suédois. En effet, ce que notre oreille ne perçoit que comme un seul et même amalgame sonore est en réalité un petit chemin de fer composé de quatre wagons différents : si nous l’observons en marche avant ou en marche arrière, l’ordre d’arrivée des informations ne sera pas le même et de fait notre perception du message sonore sera différente.

 

C’est cette notion qui est exprimée à travers la conception de courbe d’A.D.S.R. appelée aussi, courbe d’enveloppe. Le programme ‘Reverse’ que proposent certaines unités de réverbération ne joue sur rien d’autre que sur l’enveloppe d’une réverbération. Forcément décroissante et du type de la figure 1, si on la restitue à l’envers, on joue la fin du signal avant le début !

A.D.

Pour qu’un phénomène sonore se produise, il faut conjuguer les fonctions de deux agents :

  • Un élément excitateur : celui qui apporte l’énergie
  • Un élément excité : celui qui la reçoit et qui entrera en vibration pour engendrer l’onde sonore

Par exemple dans le cas du violon, l’élément excitateur est l’archet, l’élément excité la corde. Pour la timbale, l’élément excitateur est la mailloche, l’élément excité la peau de l’instrument. Chaque étape de l’A.D.S.R. mesurera le rapport temps/ énergie de chacune de ces quatre phases.

 

Figure 2Fig. 2 : Courbe d’A.D.S.R. d’un signal entretenu

A comme Attack

 

L’attaque est le temps de transfert de l’énergie lorsqu’elle passe de l’élément excitateur à l’élément excité. L’importance de l’attaque est fondamentale pour tous les instruments dont notamment les percussions. Dans le cas un peu particulier que représente le piano, une grande partie de l’identité spécifique du timbre de l’instrument est donnée précisément par la qualité de l’attaque, c’est-à-dire, par la technique de jeu de l’instrumentiste. Les instrumentistes à vent ont aussi appris à développer des techniques de thonging en faisant, comme son nom l’indique, intervenir la langue et qui permettent de créer des attaques assez percussives. Dans le cas d’une prise de son de voix, on est parfois confronté à une transitoire d’attaque démesuré, soit parce que l’artiste chante très fort, soit parce qu’en voix parlée, un orateur sature le microphone en faisant claquer les consonnes dites occlusives (‘d’, ‘t’ et ‘p’). Le compresseur permet de limiter les dégâts, mais beaucoup plus simplement, un filtre anti-pop devant le micro a toutes les chances de résoudre le problème… Le mythe du Kleenex tendu devant le micro n’était pas complètement inefficace, mais on sait faire mieux maintenant !

 

D comme Decay

 

Le decay pourrait être analysé comme le temps de stabilisation du signal; on peut le figurer comme étant la différence entre l’énergie initiale de l’attaque et celle utile à son entretien. Dans le cas d’un instrument à son non entretenu, c’est-à-dire, sans phase sustain, la différence entre decay et release n’est pas forcément flagrante… Les dernières phases s’enchaînent sans que l’on puisse distinctement les cloisonner. (figure 3)

S.R.

S comme Sustain

 

C’est le temps pendant lequel on continue à fournir de l’énergie. Il peut y avoir deux possibilités: celle où le son est entretenu comme sur la figure 2 (par exemple les instruments à vent où il faut continuer de souffler pour faire vivre la note) et celle où le son est amorti, figure 3 (par exemple un tambourin, une fois le coup donné sur la peau, le son durera tant que cette dernière aura accumulé assez d’énergie pour continuer à vibrer).

 

La première catégorie donnera naissance à des spectres harmoniques, la seconde à des spectres non harmoniques. (voir le dossier sur le timbre)

 

Figure 3Fig. 3 : Courbe d’A.D.S.R. d’un signal amorti

R comme Release

 

Lorsqu’il n’y a plus d’apport en énergie, le son se relâche jusqu’à son extinction. Dans le cas d’un signal amorti, cette étape s’inscrit dans la continuité de la précédente. Le cas du release est assez complexe. Son action débute en principe, une fois que le musicien n’a plus de contrôle actif sur le signal et se termine quand l’énergie produisant le son est totalement épuisée. Dans le cas du piano, la note continue à sonner, une fois la touche lâchée, si la pédale d’étouffoirs est enfoncée et laisse les cordes vibrer naturellement jusqu'à amortissement complet. D’autre part et d’une certaine manière, on est forcé de considérer que l’acoustique du lieu a une action sur le release ! Le même instrument, joué dans une pièce de 3m sur 4 ne sonnera pas, au niveau de son extinction, de la même manière que dans une cathédrale… L’effet de traînage qui résulte d’un release un peu long peut être confortable, pour certaines sonorités synthétiques, mais n’est que difficilement contrôlable dans le cas d’une prise de son acoustique.

 

Synthétiser une enveloppe

Il y a deux cas précis d’exploitation de l’ADSR dans nos manipulations pratiques. La première nous renvoie évidemment au synthétiseur. Les premiers modèles analogiques prévoyaient que l’on puisse ajuster chaque section de l’existence d’un son, à l’image des modèles des instruments acoustiques. Dans le cas du synthétiseur, le filtre d’enveloppe (ou EG, pour enveloppe generator) commande un VCA (Voltage Controlled Filter) et asservit le niveau sonore du signal aux réglages des paramètres ADSR. En clair, l’oscillateur produit un signal de puissance constante qui va être routé vers un VCA qui recevra ses instructions de commande de l’ADSR : le VCA modifie son niveau de fonctionnement en fonction de la tension qui l’alimente. Celle-ci est délivrée par l’ADSR. L’enveloppe décrite à la figure 2 correspondrait à l’action suivante, sur le bouton de volume d’un ampli : montée progressive de zéro » jusqu’à un niveau choisi (A), puis réduction rapide (D) jusqu’à un second niveau stable (S), puis descente progressive jusqu’à zéro (R). Si l’on analyse bien, les réglages d’ADSR permettent d’ajuster le temps pour passer du A au D, puis du D au S et enfin, du R à… plus rien, et le niveau relatif du S, déduit de la différence entre la fin de l’attaque et la fin du decay.

 

Figure 4Fig. 4 : Le générateur d’enveloppe du DX7 Yamaha

Un peu d’histoire

Cette approche a longtemps été considérée comme suffisante, même si l’on doit reconnaître une certaine approximation: en effet, on ne joue pas sur les niveaux absolus des segments A, D et R, mais sur des niveaux relatifs définis par le niveau du Sustain… Il faudra attendre le DX7, au début des années 80, pour que l’on puisse voir apparaître des générateurs d’enveloppe à huit réglages (Fig.4), séparant niveau et temps. Si un tel dispositif a apporté de nouvelles opportunités en termes de capacités d’ajustement et de création sonore, la restitution des transitoires par le biais d’un simple système de filtrage n’est pas encore satisfaisante, et la numérisation des échantillons sonores a, avec le D50 Roland, permis d’utiliser de véritables attaques échantillonnées avec des sons synthétiques. Tous les constructeurs ont ensuite appliqué des technologies équivalentes sur leurs instruments. De nos jours, la modélisation physique permet de recréer les enveloppes originales des instruments et leurs interactions sur les sonorités fabriquées, mais les paramètres A, D, S, R restent toujours présents pour ajuster les enveloppes dynamiques des sons.

De la compression…

Deuxième condition où le musicien-technicien peut se trouver confronté à la manipulation d’un générateur d’enveloppe: le compresseur. Ce dernier dispose en effet souvent de réglages d’enveloppe, qui vont moduler dans le temps l’action de compression (Fig.5).

 

Selon les équipements, on trouvera essentiellement un réglage d’Attaque, correspondant au temps de montée de l’action de compression une fois que le signal a atteint le seuil de compression. En réglant l’attaque lente, l’action du compresseur sera beaucoup plus discrète et permettra une utilisation dont l’efficacité sera maintenue, mais sans que l’effet soit sensible : à recommander pour un mixage classique, par exemple. En revanche, toutes les crêtes instantanées correspondant à des attaques courtes risquent d’échapper au traitement. Une attaque réglée courte permettra au compresseur d’agir instantanément, mais l’effet de pompage caractéristique risque d’être perçu. En musiques actuelles, cela peut donner un effet intéressant, si on l’exploite tout de même avec parcimonie. On peut aussi parfois trouver un réglage de release, correspondant au temps de fermeture du compresseur qui modifiera le temps mis par celui-ci pour revenir à sa valeur de gain initial. De même que pour l’attaque, un temps moyen sera plus discret, en restituant le niveau d’origine plus délicatement. À l’opposé, un release réglé sur zéro pourra, si le compresseur doit se déclencher fréquemment, donner des effets de vague du niveau particulièrement désagréable…

 

Figure 5Fig 5a : le compresseur standard de Cubase

Figure 5Fig 5b : le plug-in TC Electronics TC CL1B modélisant un compresseur à lampe

 

L’effet Doppler

Nous avons tous fait un jour l’expérience suivante: un véhicule muni d’une sirène se rapproche de nous et la hauteur du son émis nous semble de plus en plus aiguë. Le véhicule s’éloigne et le son devient de plus en plus grave jusqu’à disparaître. La hauteur perçue par l’observateur dépend en effet de sa position par rapport au mobile et de l’écart entre sa vitesse et celle de l’élément sonore lui aussi en mouvement.

 

Si N1 est la fréquence entendue par le piéton,
N2 la fréquence entendue dans la voiture,
V1 la vitesse du piéton,
V2 la vitesse de la voiture,
C la vitesse de propagation du son (appelée aussi célérité) C= 340 m /s dans l’air à 15° C (1224 km /h)

La relation qui relie la Fréquence réelle du mobile N2 et la fréquence perçue par le piéton N1 est la suivante:

Formule

 

Plus aigu Effet Doppler Plus grave

Quand la voiture se rapproche, les intervalles entre les fronts d’onde se raccourcissent, le son est plus aigu. Quand la voiture s’éloigne, les intervalles sont plus grands et le son est plus grave. Dans la voiture, la fréquence de la note émise ne change pas.

Sur le terrain

Cabine Leslie

La cabine Leslie chère aux aficionados de l’orgue Hammond est un exemple d’application particulièrement intéressant de l’effet Doppler. Le dispositif fabriqué à partir du début des années 50 par la société de Don Leslie avait comme but de recréer, comme le disait la publicité de la marque ‘le son de l’orgue à tuyaux pour votre orgue d’appartement’… Le dispositif simule le son que produit un orgue d’église influencé par la réverbération du lieu et les réflexions multiples sur les parois : on entend un signal un peu flou et oscillant. Le second figure un effet de vibrato qui était présent sur les orgues de cinéma dont étaient friands les Anglo-saxons (le seul exemplaire qui reste opérationnel en France est l’orgue du Gaumont-Palace de Paris, qui a été réinstallé au Pavillon Baltard, à Nogent-sur-Marne…). Dans le premier cas, on perçoit un effet de diffusion spatiale lent, typique du bâtiment. Dans le second, c’est un dispositif mécanique placé en sortie de la soufflerie qui vient de manière rapide et cyclique, réguler les arrivées d’air des tuyaux et qui produit une oscillation de l’ordre d’une dizaine de Hertz.

 

Don Leslie a équipé ses cabines d’un dispositif mécanique destiné à simuler ces deux effets typiques de l’orgue à tuyaux. Sur le plan de l’anecdote d’ailleurs, il est intéressant de noter que Lawrence Hammond, l’inventeur de l’orgue à roues phoniques, ne s’est que très tardivement résigné à accepter l’association de ses instruments et des cabines Leslie, jugeant que le son de l’instrument était dénaturé par le système de diffusion de Leslie… Une cabine Leslie est donc un équipement compact (!) d’environ 50 kg et à peu près gros comme un réfrigérateur ‘table top’ équipé de deux haut-parleurs qui diffusent devant deux déflecteurs rotatifs, une trompette pour les aigus et un tambour ajouré pour les graves.

 

Les deux diffuseurs entraînés par un couple de moteurs tournent et diffusent de manière cyclique le son au travers des ouvertures (jalousies) ménagées dans l’ébénisterie de la cabine.
La diffusion dans l’espace influe donc sur l’amplitude du signal avec le rapprochement et l’éloignement cycliques de la source, sur sa localisation puisque le dispositif tourne, ainsi que la fréquence et la phase du signal mettant en évidence l’effet Doppler… La vitesse de rotation des deux systèmes grave et aigu n’est pas identique, il y a plus d’inertie au démarrage pour le tambour et tous ces décalages induisent des fluctuations supplémentaires au signal tout à fait spécifique de chaque cabine; les simulations électroniques auront du mal à lutter!

 

Deux vitesses de rotation sont disponibles, ‘Chorale’ qui simule le son d’orgue classique et ‘Tremolo’ qui figure la sonorité orgue de cinéma. Les musiciens de jazz ou de rock utilisent indifféremment les deux vitesses, selon l’ambiance qu’ils veulent donner à leur son. Le Leslie a parfois été utilisé sur d’autres instruments que l’orgue : sur une guitare électrique, le résultat peut aussi être surprenant.

L’effet Haas

Il est appelé aussi effet de précédence ou loi du premier front d’onde. Dans un lieu particulièrement réverbérant, l’onde sonore venant d’une source S se réfléchit sur les parois comme le ferait une balle très rebondissante. Notre oreille reçoit des ondes multiples en provenance de directions différentes. Comment alors localiser la source S qui est à l’origine du point de départ initial de l’onde de la source réfléchie SR ? Eh bien dans la plupart des cas, notre oreille s’en sort très bien en retenant pour seule information la première incidence émise S, le premier ‘front d’onde’. Certaines conditions sont pour cela nécessaires: le temps qui sépare l’onde initiale de sa réflexion doit être inférieur à 50 ms. Au-delà de cette valeur, la fusion des deux sources ne se fait plus et l’on perçoit un écho.

 

En multidiffusion

Le principe de la perception du premier front d’onde est aussi bien connu des sonorisateurs. Lorsque l’on dispose plusieurs plans de diffusion dans un lieu de spectacle, c’est souvent que la couverture sonore de certains endroits de ce lieu n’est pas satisfaisante (un balcon dans un théâtre, par exemple…) ou que la distance par rapport à la scène est telle qu’il faut renforcer la sonorisation (cas d’un festival). Pour un spectateur placé plus près du second plan de diffusion que du premier, le premier front d’onde devrait donc venir de ces enceintes-là, alors bien évidemment, que le spectacle se passe sur scène! Afin de repositionner au même endroit la perception acoustique et la perception visuelle, il faut donc faire en sorte que le premier front d’onde perçu vienne de la scène. À cet effet, on devra retarder le signal diffusé par les enceintes de reprise de telle manière que l’on ‘entende’ en premier celles qui sont placées sur scène. Lorsque l’on veut donner l’impression qu’une source n’est pas amplifiée (cas d’un chœur ou d’une formation classique, par exemple), on procédera de la même manière: on retardera la diffusion de façade de manière à ce que le premier front sonore vienne des chanteurs ou des instrumentistes, et non des enceintes.

 

On fait comment?

D’où vient le problème, en fait? Un signal sonore se propage dans l’air à 340 m/s à 15°C, alors qu’un signal électrique parcourt 300.000 km/s, à la vitesse de la lumière… On comprend aisément que l’information électrique parviendra bien avant au second plan d’enceintes que le signal acoustique provenant du premier! Comment calculer un retard? Le plus simplement du monde: s’il y a 30 mètres par exemple entre les deux plans d’enceintes, il faudra 80 millisecondes au son pour franchir la distance. Si l’on veut conserver le premier front d’onde à la scène, il faudra donc retarder le second plan d’au moins cette valeur. Mais, car il y a un mais, la zone de recouvrement des deux diffusions va être le siège de terribles problèmes de phase, si l’on ne fait rien ! Il sera important de recaler la phase des deux plans sonores. En général, c’est aux alentours de 160 à 250 Hz que les choses se passeront, précisément dans les fréquences des modes propres de la salle, ce qui n’arrangera rien… Une fois les deux plans calés, on va non seulement avoir l’impression que la source est bien localisée sur scène, mais qui plus est, on aura gagné au moins 3 dB, puisqu’on se retrouve avec deux dispositifs de diffusion jumelés.

Une précaution supplémentaire devra être prise dans le cas de tels montages en extérieur, car l’incidence de la température sur la célérité de l’air, et donc, sur le temps de propagation de l’onde sonore, influe, tout comme le vent et l’humidité de l’air d’ailleurs, sur les valeurs de retard que l’on appliquera… Entre 0 °C et 30 °C, la valeur de la célérité peut varier de près de 20 m/s! Ces phénomènes ont parfois causé de sérieuses angoisses à quelques ingénieurs du son, dont le système, parfaitement calé aux répétitions de l’après-midi, devenait totalement déréglé au moment du concert du soir!

 

Retards

 

Mise en évidence de l’effet de précédence : pour le spectateur nº 1 qui entend à la fois les instruments et la diffusion, on devra retarder cette dernière de manière à ce que les musiciens soient bien localisés sur scène, le premier front d’onde venant directement des instruments. Pour les spectateurs 2 et 3, un second retard sera appliqué afin que l’on perçoive toujours le son provenant de la scène en premier, même si le niveau de la reprise de diffusion est plus intense.

 

Pour terminer, l’appréciation du phénomène de prédélai sur un effet de réverbération fait, d’une certaine manière, également mention de l’effet de précédence. Lorsque l’on ajuste la valeur du prédélai, on définit virtuellement la distance que va parcourir l’onde sonore vers l’auditeur avant de se réfléchir sur une paroi. On définit ainsi la précédence de provenance de la source correspondant au placement virtuel de l’instrument fait dans le mixage: un prédélai à zéro donnera un flou sur le positionnement de l’instrument, car les réflexions parviendront quasi simultanément au signal direct, on ne pourra alors pas localiser facilement l’instrument en question.