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module i325 cours 5: Audio numérique Dominique Burki sommaire 0. Introduction -

module i325 cours 5: Audio numérique Dominique Burki sommaire 0. Introduction -la production et la reproduction sonore -la réception et la perception des sons -la transmission des sons 1. Quelques notions de psychoacoustique 1.1 définitions 1.2 domaines d’application 1.3 perception acoustique 2. Reproduction sonore, traitement du signal 2.1. Captation 2.2 Signal -périodicité -onde -amplitude -dynamique 2.3 Représentation temps et fréquence -représentation fréquencielle -représentation temps et fréquence 2.4 Numérisation -échantillonage -quantification -reproduction et spatialisation 3.synthèse sonore 3.1 modélisation 3.2 synthèse: modèles et procédés 3.3 synthèse: dispositifs 4.codage et compression audio-numérique 4.1 principe 4.2 procédés -masque -joint stéréo -code de Huffman 4.3 formats audios numériques 0. Introduction L’étude des sons peut s’étendre sur de nombreux champs: physique, acoustique, psychoacoustique, etc… Il serait certainement utile d’approfondir chacun de ces domaines, dans le cadre réduit de notre propos nous nous attachons à quelques aspects en rapport avec l’audio numérique. Nous survolons ici des notions ayant un rapport avec au moins trois domaines: -la production et la reproduction sonore Dans ce domaine, nous nous penchons sur quelques procédés de captation, de traitement et de représentation d’un signal: échantillonage, interprétation et mise en forme du signal, technologie… Puis nous explorons quelques dispositifs de contrôle et de synthèse musicale. -la réception et la perception des sons Hormis ses caractéristiques physiques, le son est avant tout une question de perception. Ce phénomène fait l’objet d’une science qui étudie la réception du son par notre système auditif: la psychoacoustique. Les domaines d’investigation de cette discipline et leur retombées sont nombreuses: acoustique environnementale (nuisances sonores etc…), design sonore (salle de concert, habitacle d’un véhicule etc…), mesure et modélisation des sensations sonores (formats et codecs de diffusion, standards audio etc…). Nous nous interessons ici à ce dernier aspect. -la transmission des sons D’un point de vue de la physique le son est une modification mécanique du milieu dans lequel il se propage. En pratique il s’agit de micro variations de la pression de l’air ambiant, ces perturbations ce propagent de proche en proche sous la forme d’une onde acoustique. Cette dernière a diverses caractèristiques: intensité, fréquence, rayons sonores, dispersion etc… Dans le cadre de l’audio numérique, la transmission sonore se résume à la transmission de données, nous rappelons ici quelques principes. 1. Quelques notions de psychoacoustique 1.1 définitions La psychoacoustique rassemble et décrit les relations qui existent entre le phénomène acoustique physique, la perception que nous permet notre oreille et la description que nous en faisons. Le phénomène de la perception audio est complexe dans la mesure où il est en général associé à un contexte: mémoire, sémantique, spatialité, etc… L’organisation que nous faisons des évenements sonores tient pour partie du domaine de la psychologie perceptive. 1.2 domaines d’application La psychoacoustique couvre de nombreux champs d’application: -sociologie, marketing: perception et classification des bruits, étude d’impact des musiques d’ambiance, de publicité, d’annonce... -urbanisme et environnement: mesures et protection contre la fatigue auditive au travail, dispositifs de protection sonore… -ergonomie : systèmes d’aide à la navigation, message d’information ou d’alarme, reconnaissance des bruits-marins, système experts de reconnaissance, aide à la décision, aide à la spatialisation -musique : aide à la composition -traitement du signal : codage psychoacoustique (MiniDisque de Sony, DCC - fini-, DAB, MPEG-audio, téléphone cellulaire, INMARSAT...), -restitution sonore : spatialisation, matériel HIFI... -multimédia : spatialisation (virtualisation de l’espace sonore) des sources sonores, richesse de l’environnement sonore des jeux, synthèse musicale... -physiologie et neurologie : traitement des troubles auditifs 1.3 perception acoustique La psychoacoustique rend compte de l’ensemble du phénomène perceptif, elle permet de décrire et de quantifier les diverses composant du son: - Limites perceptives: l’oreille humaine perçoit un son pur dans l’intervalle de 20 à 20000 Hz. Cet intervalle est variable selon les individus et décroit avec l’age. -Seuil d’audibilité: c’est le seuil en deçà duquel l’oreille ne perçoit pas de son. Ce seuil est aussi le zéro de l’échelle des décibels (dBa), respectivement des phones (unité psychoacoustique). La perception des rapports d’intensité sonore (sonie) varie en proportion logarithmique avec l’échelle en phones. -Dynamique: la dynamique de l’oreille varie en fonction de la fréquence. Dans les graves elle est limitée à 50 dB, elle avoisine les 120 dB à 3000 Hz. -Phénomène de masquage: lorsque le niveau de bruit est trop important l’oreille ne recoit pas un son pur. L’étude précise de ce phénomène fait apparaître une bande critique à l’intérieur de laquelle un son n’est pas masqué. Elle permet de montrer que notre oreille fonctionne de façon sélective en fonction des fréquences. Ces observations et la description précise des courbes de masquage trouve une application directe dans les techniques de numérisation et de compression (voir plus loin). Il s’agit de décrire précisément à un instant donné la courbe de masquage du son à traiter. -Hauteur tonale: la perception de hauteur d’un son est en rapport avec la périodicité de ce dernier. L’analyse du spectre sonore montre, à l’exception des sons purs, la présence d’une fréquence fondamentale et celle de plusieurs partielles. Pour l’oreille la hauteur des sons est ambigüe à une octave près (confusion possible entre un La à 440 HZ et à 220Hz). La notion musicale de gamme illustre bien ce phénomène. L’oreille subit des déviations de perception en fonction de l’intensité de son et du niveau du bruit ambiant. -Perception de l’espace: la disposition de nos oreilles nous permet de reconstruire une spatialisation de nos perceptions sonores. La distance entre la source sonore et l’une ou l’autre de nos oreilles n’est pas identique: les sons perçus sont de ce fait déphasés. Ce phénomène ainsi que l’intensité du son et les diverses réflexions de l’onde sonore nous permettent de reconstruire mentalement un espace sonore et de situer une source sonore dans l’espace. Dans le cadre de la reproduction des sons une restitution spatiale fidèle à l’original est l’un des problèmes les plus complexes à résoudre. -Timbre: il s’agit d’une notion très subjective et difficile à mesurer qui prend en compte les divers aspects du spectre sonore: hauteur, temps d’attaque, fréquences partielles, harmoniques, durée, modulation…). Le timbre est ce qui nous permet de reconnaître un instrument d’un autre (voir chapitre 2) 2. Reproduction sonore, traitement du signal Sans rentrer dans les détails d’un cours de traitement des signaux, ces quelques rappels sont incontournables pour comprendre les techniques de traitement et de transmission d’un signal. 2.1. Captation La captation d’une source sonore se fait en général à l’aide d’un microphone. Les surpressions et dépressions locales de l’air, produites par la propagation du son, produisent des mouvements sur une membrane. Ces mouvements génèrent un courant électrique par induction magnétique. C’est ce courant, ou plus précisément ses variations dans le temps qui constituent le signal. Le microphone transforme ainsi un signal de pression acoustique en signal électrique proportionnel à cette pression. ondes acoustiques bobine et aimant d’induction membrane courant induit Schéma de principe d’un microphone dynamique. Ce type de micro est le plus courant, simple de conception, robuste et fiable il a en revanche une bande passante limitée de 50 à 18000Hz environ et un niveau de signal relativement faible. Hormis le microphone dynamique à bobine décrit ci-dessus, il existe divers types de microphones qui ont été développés en fonction de besoins spécifiques mais aussi pour améliorer les performances acoustiques du procédé. Il n’y à pas de système optimal, chaque type à ses avantages et inconvénient. Le choix d’un micro dépend du type de source sonore à enregistrer. Une des principales caractéristiques des micros est leur directivité. Un micro est en effet doté d’un angle de prise de son spécifique: -cardioïde: profondeur de champs faible (2,5m), peu de sons provenant de l’arrière. C’est le type le plus utilisé en studio ou sur une scène. Il existe divers dérivés de ce type. -cardilignes: micro très directionnel qui permet de capturer des sons distants (animaux, espionnage, etc…). -omnidirectionnel: ce type de micro capture un son proche de l’écoute humaine, sur 360°, c’est le micro idéal pour les reportages. -…… Une autre caractéristique des micros est liée à leur conception technique. Types de micros: -microphone à ruban: la membrane est ici remplacée par une lame métallique en accordéon, ce type de micros est plus sensible au basses fréquences. Il a une meilleure restitution du timbre. Sa bande passante est en revanche plus limitée. -micro électro-statique. ce type de micro a besoin d’une alimentation, il fonctionne sur le principe d’un condensateur à capacité variable. Ce type de micro a un niveau de sortie plus élevé que le micro à membrane (5 à 20 fois selon modèle), il convient pour capturer des sons de très faible intensité. La bande passante est d’environ 20 à 20’000 Hz pour ce type de micros. 2.2 Signal L’observation du signal issu d’un microphone à l’aide d’un oscilloscope permet d’en décrire un certain nombre de caractéristiques, liées à des phénomènes perceptifs: -périodicité La période de signal caractérise la perception de hauteur du son: plus la période est petite, plus le son perçu est aigu et inversement, plus la période est grande, plus le son perçu est grave. fig.- (Illustration Microsoft) -présence d’une uploads/Sante/ cours-audio-numerique.pdf