La distorsion

Une défi­ni­tion

On part du prin­cipe qu’un système de diffu­sion doit repro­duire le plus fidè­le­ment possible le signal audio source et qu’on fuit toute dégra­da­tion du signal. On ne parlera pas ici de la distor­sion comme effet esthé­tique recher­ché. Il y a distor­sion lorsque le signal sortant est altéré comparé au signal entrant (on exclut l’aug­men­ta­tion du niveau géné­ral). Selon les effets qu’ils produisent, on distingue plusieurs types de distor­sion : la distor­sion linéaire et la distor­sion non linéaire (avec des sous-caté­go­ries dans chacune).

Distor­sion linéaire : réponse en fréquence et en phase

La distor­sion linéaire englobe les acci­dents dans la réponse en fréquence et en phase. Quand l’am­pli­tude de toutes les fréquences n’est pas resti­tuée avec la même exac­ti­tude et que le temps de réac­tion de l’en­ceinte n’est pas le même pour toutes les bandes de fréquences, cela consti­tue une distor­sion du signal. Ce type de distor­sion est dit « linéaire » parce qu’il ne génère pas de fréquences nouvelles : les fréquences en entrées sont celles en sortie, on ne fait que consta­ter les écarts d’am­pli­tude et de phase. 

On repré­sente par des courbes les réponses en fréquence et en phase. Une réponse idéale signi­fie­rait : pas d’écart d’am­pli­tude avec la source et une latence qui serait iden­tique sur l’en­semble de la bande passante de fonc­tion­ne­ment (pas de dépen­dance de la phase avec la fréquence). Évidem­ment, c’est un modèle théo­rique diffi­ci­le­ment attei­gnable, surtout si on veut couvrir tout le spectre audible. Beau­coup de para­mètres entrent en ligne de compte. Les haut-parleurs, les enceintes et les filtres sont des produits complexes et chacun contri­bue, à son niveau, à créer un peu de distor­sion.

Exemple ci-contre de courbe de réponse en fréquence (bleue) et en phase (rouge) d’une enceinte de hi-fi. Le niveau de pres­sion acous­tique (dB SPL), à gauche, sert à lire la réponse en fréquence. L’angle (degrés), à droite, sert à lire la réponse en phase. En bas : les fréquences en hertz.

Distor­sion non-linéaire : distor­sion harmo­nique

La distor­sion non linéaire rajoute au signal des fréquences qui n’étaient pas présentes en entrée. Parmi ces fréquences, on diffé­ren­cie les harmo­niques et les autres. Un harmo­nique est un multiple entier de la fréquence fonda­men­tale : par exemple, un sol à 392 Hz a pour deuxième harmo­nique 784 Hz (392 × 2), pour troi­sième 1568 Hz (392 × 3). Un son musi­cal (donc avec un aspect pério­dique) comporte une fréquence domi­nante (la fonda­men­tale : la longueur d’onde prin­ci­pale) qui carac­té­rise la hauteur de note, et des harmo­niques (des longueurs d’ondes propor­tion­nelles), moins forts, mais qui contri­buent beau­coup au timbre du son.

Le signal se décom­pose en cycles qui se répètent. La vitesse à laquelle les cycles se répètent carac­té­rise la fréquence. La longueur d’un seul cycle est appe­lée la période.

En utili­sant une fréquence pure (sans harmo­niques, donc une onde sinu­soï­dale) comme signal, on peut mesu­rer le niveau d’émer­gence des harmo­niques qu’on trouve à la sortie. On balaye ensuite la bande passante de fonc­tion­ne­ment, le résul­tat est un ensemble de courbes de niveaux (une par harmo­nique mesuré). On exprime la quan­tité totale de distor­sion harmo­nique (THD) sous forme d’un ratio entre le niveau des harmo­niques et le niveau de la fonda­men­tale, soit en pour­cen­tage, soit en dB, avec une indi­ca­tion du niveau géné­ral auquel la mesure a été faite, et la mention d’une bande passante. Par exemple : THD = 3 % pour 90 dB SPL (100 Hz – 20 kHz). Il est inté­res­sant de consi­dé­rer que dans le domaine psychoa­cous­tique, la sensa­tion de dégra­da­tion du signal n’est pas vrai­ment propor­tion­nelle au taux de distor­sion harmo­nique. Le deuxième harmo­nique en parti­cu­lier, est souvent consi­déré comme pouvant ajou­ter de la « rondeur » au son.

Ci-contre, des courbes de mesure du THD d’une enceinte de moni­to­ring Neumann KH420. En violet : distor­sion harmo­nique totale. En rouge : 2e harmo­nique. En vert : 3e harmo­nique. À gauche est repré­senté l’écart de niveau avec la fonda­men­tale. En bas, les fréquences. Le 2e harmo­nique de 10 kHz étant 20 kHz, limite supé­rieure de l’oreille humaine, la courbe s’ar­rête à 10 kHz. 

Distor­sion non linéaire : l’in­ter­mo­du­la­tion

Les choses se compliquent lorsque le signal source est composé de plusieurs notes simul­ta­nées, avec chacune sa fonda­men­tale. En plus de la distor­sion harmo­nique appa­raît un phéno­mène d’in­ter­mo­du­la­tion ; des fréquences qui ne sont pas des multiples entiers des notes fonda­men­tales appa­raissent. Elles sont sans corré­la­tion musi­cale avec les fonda­men­tales et dégradent forte­ment la qualité d’écoute. Le taux de distor­sion par inter­mo­du­la­tion n’est jamais rensei­gné dans les spéci­fi­ca­tions d’en­ceintes (sauf à titre expé­ri­men­tal). L’in­ter­mo­du­la­tion varie telle­ment selon les compo­santes du signal source, que les résul­tats ne sont pas vrai­ment signi­fi­ca­tifs.

D’une manière géné­rale, les cata­logues d’en­ceintes sont assez avares avec les mesures de distor­sion. Elles sont compliquées à faire, le signal de test pour l’in­ter­mo­du­la­tion n’est pas stan­dar­disé et les enceintes étant l’étage qui amène le plus de distor­sion dans la chaîne son, les construc­teurs n’ont peut-être pas envie de faire peur aux clients… Le taux de distor­sion harmo­nique totale d’une enceinte peut faci­le­ment atteindre 5 %, et encore plus dans les basses fréquences. En compa­rai­son, les amplis à tran­sis­tors affichent souvent un THD < 0,1 % sur l’en­semble du spectre.