Les bases de l'acoustique : la durée (II)

La durée (II)

Nous allons compléter les notions relatives au paramètre de la durée en expliquant deux points nouveaux : l’effet Doppler et l’effet Haas, et évoquer les conséquences que peuvent avoir ces deux phénomènes sur le principe de fonctionnement d’une cabine Leslie et les systèmes de multidiffusions.

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:

Plus aigu

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

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!

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.

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