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Le timbre (I) - Les bases de l'acoustique : le timbre

Nous proposerons dans cette rubrique de développer des connaissances de base en acoustique qui ont pour but de permettre de mieux comprendre et maîtriser les pratiques élémentaires de sonorisation et d’enregistrement. Au cours de chaque intervention, nous choisirons un thème que nous définirons en premier sur le plan théorique puis immédiatement après nous en commenterons les conséquences dans l’application pratique de l’utilisation du matériel audio.

Le timbre (I) : Les bases de l'acoustique : le timbre

Défi­ni­tion du timbre

Le timbre est l’iden­tité du son, son support maté­riel. Il dépend du corps sonore qui est à l’ori­gine de son émis­sion. Prenons un La 440 Hertz émis à 60 Déci­bels : nous iden­ti­fie­rons immé­dia­te­ment une diffé­rence si cette fréquence est émise par un violon, un saxo­phone ou un piano. Pour­tant, il s’agit de la même note, à la même inten­sité, mais l’ins­tru­ment change. Le corps sonore qui vibre n’est pas le même : corde, colonne d’air. De plus ce corps sonore n’est pas mis en mouve­ment par le même « outil » : au violon, corde frot­tée par un archet, pour le sax, colonne d’air mise en vibra­tion par une anche et pour le piano, corde frap­pée par un marteau recou­vert de feutre. C’est le choix de ces supports sonores et de leur mode d’ex­ci­ta­tion qui vont déter­mi­ner une forme d’onde carac­té­ris­tique dans chacun des trois cas. Nous revien­drons plus tard sur le rôle de la caisse de réso­nance qui ajoute encore une dimen­sion supplé­men­taire à cette défi­ni­tion.

Forme d’onde

Onde sinusoïdale

La forme d’onde la plus élémen­taire est l’onde sinu­soï­dale (fig. 1). Elle est en quelque sorte au son, ce que l’atome est à la matière.

Les sons sinu­soï­daux purs sont rares : diapa­son, fric­tion sur le verre humide. On leur prêtait autre­fois des pouvoirs étranges sur le compor­te­ment humain !

Les sons qui nous entourent sont plus fréquem­ment de nature complexe. C’est à dire qu’à l’in­té­rieur d’une masse sonore que nous perce­vons comme unique, il y a un mélange de très nombreuses petites sinu­soïdes qui ont en quelque sorte « fusionné » pour produire un même son. C’est la nature de ce mélange qui déter­mine la forme d’onde résul­tante ( fig. 2) et qui est respon­sable de l’iden­tité timbrale. On la nomme spectre.

 

Signal carré
Fig.2 : Signal Carré

Signal en dent de scie
Fig 2 : Signal en dent de scie

Signal périodique complexe

 

Repré­sen­ta­tion spec­trale

Il existe plusieurs modes de repré­sen­ta­tion graphique pour maté­ria­li­ser la forme du son. Nous en choi­si­rons un aujour­d’hui, le sona­graphe pour sa clarté péda­go­gique lors d’une première approche acous­tique.( fig 3).

Hori­zon­ta­le­ment : le temps en seconde. Verti­ca­le­ment : les valeurs des fréquences en Hertz . Un son sinu­soï­dal de 100 Hertz est donc repré­senté par un trait hori­zon­tal à la hauteur corres­pon­dant à la valeur 100. Un son harmo­nique de 100 Hertz est repré­senté par la super­po­si­tion de traits corres­pon­dant aux valeurs respec­tives des sinu­soïdes de 100 ; 200 ; 300 : n X 100 Hertz. La longueur des traits traduit la durée du son.

représentation spectrale

 

Bruits

Imagi­nons qu’à des puis­sances iden­tiques, toutes les fréquences sinu­soï­dales percep­tibles par l’oreille humaine ( de 20 Hertz à 20 kHertz ) se trouvent ainsi « mélan­gées » en un seul signal sonore. Nous obtien­drons ce qu’il est convenu d’ap­pe­ler : un bruit blanc, c’est à dire du souffle. Si ce dernier est très bref, nous l’iden­ti­fie­rons comme un choc plus ou moins sec. Les consonnes appar­tiennent à cette caté­go­rie de son de même que le corps sonore qui reçoit l’at­taque de l’ « outil » qui le met en vibra­tion commence par produire un bruit . Ce bruit corres­pond au temps de stabi­li­sa­tion de l’onde avant qu’elle prenne sa forme défi­ni­tive. Le frot­te­ment de l’ar­chet sur la corde de violon s’ap­pa­rente à un bruit de souffle, la percus­sion du marteau sur la corde du piano à un choc sec ( fig 4). Ces notions seront appro­fon­dies lorsque nous parle­rons de la courbe d’en­ve­loppe d’un son et des tran­si­toires.
Dans le cas où cette suite de fréquences serait comprise entre des valeurs limites, on parlera de bande de bruits.

Si une zone d’entre elles est parti­cu­liè­re­ment « gonflée » en éner­gie, on parlera de bruit coloré autour de cette zone émer­gente.
Un bruit rose est un bruit blanc avec une pondé­ra­tion de 3 dB A par octaves.

différents bruits

 

Son harmo­nique

Nous avons mis en évidence le carac­tère pluriel de la compo­si­tion des sons, à présent nous allons nous inté­res­ser à une répar­ti­tion parti­cu­lière des fréquences dans le spectre sonore : les sons harmo­niques.

Un son harmo­nique est un son dont les sinu­soïdes qui le composent obéissent à une loi mathé­ma­tique appe­lée  loi de Fourier. Cette loi se traduit ainsi : un signal complexe pério­dique c’est à dire qui se repro­duit iden­tique à lui même à inter­valles de temps régu­liers, se décom­pose en un certain nombre de sinu­soïdes dont les valeurs sont des multiples entiers de la plus petite d’entre elles (donc la plus grave).

Un exemple de son harmo­nique : un son de 100 Hertz dont les compo­santes seraient 100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 Hertz. La hauteur perçue est la fréquence la plus basse, c’est-à-dire 100 Hertz. Les compo­santes suivantes 2×100 , 3×100, 4×100 etc. sont bien des fréquences calcu­lées sur des multiples entiers ( 2 ; 3 ; 4, etc.) elles se nomment des harmo­niques. La fréquence la plus basse qui leur sert de base de calcul se nomme le fonda­men­tal. Le rang d’un harmo­nique est le nombre entier par lequel on a multi­plié le fonda­men­tal. On parlera par exemple d’har­mo­nique de rang 3, dans le cas présent 300 Hertz. (figure 5)

représentation spectrale d'un signal harmonique

 

la combinaison des

 

La combinaison des quatre sinusoïdes

La hauteur d’un son harmo­nique est faci­le­ment percep­tible par l’oreille. Ces sons se perçoivent aisé­ment « justes » . C’est pour cette raison que les instru­ments musi­caux mélo­diques seront conçus pour produire des spectres harmo­niques ou presque.

Les bruits dont nous avons parlé précé­dem­ment sont des signaux apério­diques. Ils carac­té­risent les instru­ments à percus­sion.

La répar­ti­tion de l’éner­gie dans le spectre

son harmonique de 100Hz avec un formant à 300Hz

 

 

Une fréquence « gonflée » en éner­gie s’ap­pelle un « formant » (fig 6) . Si c’est le cas d’une bande de fréquences consé­cu­tives, on parlera de zone forman­tique comprise entre x et y Hertz.

Cette répar­ti­tion de l’éner­gie joue un rôle impor­tant dans la percep­tion timbrale, au même titre que le nombre de compo­santes dans le spectre, leur répar­ti­tion ou leur régu­la­rité ou non par rapport au modèle harmo­nique.

Quelques exemples de repré­sen­ta­tion graphique

image_11.png

a- un son de violon : bruit de souffle à l’at­taque, spectre harmo­nique
b- Un son de flûte : spectre harmo­nique
c- Un piano : bruit d’at­taque du marteau, choc sec et spectre pas tout à fait régu­liè­re­ment harmo­nique.
d- Son chaud : peu d’har­mo­nique mais répar­ti­tion de l’éner­gie régu­lière du grave vers l’aigu.
e- Son « aigre » son harmo­nique à forte concen­tra­tion d’éner­gie dans l’aigu
f- Son qui sonne creux : perte d’har­mo­niques dans le médium
g- Son nasillard : faiblesse dans le grave, médium gonflé, aigus affai­blis
h- Son pas harmo­nique : comme une cloche désac­cor­dée.
i- Signal carré, harmo­niques impairs : sonne comme une clari­nette

image_12.png

 

Dans le cadre des correc­tions sur une console

C’est l’étage des correc­teurs qui permet­tra de retou­cher le timbre sur la console. Selon les modèles, ils seront plus ou moins sophis­tiqués et offri­ront des possi­bi­li­tés d’ajus­te­ments diffé­rentes. Nous lais­se­rons de côté les « simples » correc­teurs grave/aigu que l’on peut trou­ver sur les amplis « Hi-Fi » ou sur les mixettes d’en­trée de gamme et dont l’ef­fet sera plus celui d’une correc­tion physio­lo­gique d’équi­libre du signal par rapport aux condi­tions d’écoute domes­tique, pour abor­der la section de correc­tions des « petits » modèles numé­riques actuels ou des prin­ci­paux logi­ciels d’en­re­gis­tre­ment. On admet­tra en préam­bule que les correc­teurs timbraux ne seront prin­ci­pa­le­ment utili­sés que dans une logique… correc­tive, et non à fin d’es­pé­rer amélio­rer le signal capté : on ne rendra jamais « excep­tion­nel », par leur utili­sa­tion, un son qui ne serait que très moyen à la capta­tion, à cause du place­ment du micro face à la source sonore ou de la nature même de ce micro… Les correc­teurs se partagent la bande des fréquences audibles (les fameux 20 Hertz à 20 kHertz…) en plusieurs sous-bandes. On parle ainsi géné­ra­le­ment de correc­teurs aigu, haut-médium, bas-médium et grave. Le premier travail consis­tera donc à évaluer, avant toute action sur le correc­teur, dans quelle zone de fréquences se situe le problème à corri­ger et ensuite, à iden­ti­fier sa nature : est-ce une colo­ra­tion outran­cière non détec­tée à la capta­tion, un « para­site » lié à l’en­vi­ron­ne­ment, un effet de « masquage » lié à la présence d’autres instru­ments…

À quoi ça ressemble ?

Les correc­teurs de timbre sont des filtres à… harmo­niques et partiels ! Leur spéci­fi­cité est qu’ils ne se contentent pas seule­ment de suppri­mer des compo­sants, mais ils peuvent aussi « ampli­fier » une zone de fréquences choi­sie. Évidem­ment, s’il « n’y a rien » dans le signal dans la zone consi­dé­rée, c’est du souffle qu’on ajou­tera ! Un « bon » étage de correc­teurs propose en géné­ral 4 « sous-bandes ». Chacun propose au moins deux réglages : un ajus­te­ment de fréquence et un gain d’ef­fi­ca­cité. On les nomme alors « semi-para­mé­triques ». Il n’est pas rare de trou­ver un troi­sième réglage, nommé « facteur Q » ou sélec­ti­vité, dont l’objet sera de plus ou moins « resser­rer » ou « d’élar­gir » la zone d’ac­tion du filtre. Lorsque ce 3ème réglage est présent, le correc­teur est alors quali­fié de « para­mé­trique ». L’ajus­te­ment de fréquences sera dosable dans les deux limites de la sous-bande de fonc­tion­ne­ment du filtre (nos logi­ciels se sont affran­chi de ces limites !).

Le gain d’ef­fi­ca­cité défi­nit, en dB, le « niveau » d’ac­tion du filtre, au niveau de sa fréquence de coupure, autre­ment dit, de la fréquence à laquelle il est réglé. Comme on peut le voir sur la figure 8 emprun­tée à Cubase 4, ce réglage de gain peut être posi­tif ou néga­tif. On remarque égale­ment que l’ac­tion du filtre est plus ou moins « raide » de part et d’autre de la fréquence de coupure sélec­tion­née. La « pente » de cette cloche sera préci­sé­ment ajus­tée par le réglage de sélec­ti­vité.

Correcteur de Cubase

 

Comment inter­ve­nir sur le timbre

Il ne faut pas perdre de vue que les actions réali­sées sur le son d’un instru­ment seront forcé­ment destruc­trices par rapport au son capté, ce dernier l’étant… souvent aussi, par rapport au son origi­nal. C’est donc avec prudence qu’il faudra agir ! Avant de toucher à quoi que ce soit, imagi­ner le résul­tat, après correc­tion : je veux un son plus « chaud », je veux reti­rer des basses, je veux faire « émer­ger » mon instru­ment du mixage, je veux suppri­mer cette réso­nance éner­vante qui vient du studio… Nous vous propo­sons le petit tableau ci-dessous, en guise de « fiche pratique » ; vous y trou­ve­rez une rapide « check-list » vous permet­tant de faire vos correc­tions timbrales, en parfaite maîtrise de la chose. N’ou­bliez cepen­dant pas que l’écoute est le point fonda­men­tal et ultime de juge­ment sur la qualité de votre travail…

 

Nature de la correc­tion
Objec­tif souhaité
Action
Remarques utiles
Ajus­ter le timbre d’un instru­ment capté par un micro, instru­ment élec­tro­nique ou virtuel Modi­fier le timbre d’un instru­ment qui a trop ou pas assez d’ai­gus ou de basses. Evaluer quelle bande de fréquences est concer­née :
1) réglez le gain à +12 dB et ensuite, tour­nez le sélec­teur de fréquence jusqu’à ce que vous enten­diez, à l’oreille, la zone où le signal augmente le plus. Vous avez trou­vez la fréquence de coupure !
2) rédui­sez le gain à 0 dB, puis bais­sez progres­si­ve­ment jusqu’à obte­nir le résul­tat cher­ché.
3) compa­rez en « by-passant » le correc­teur avec le signal d’ori­gine.
Faites ce réglage avec l’ins­tru­ment choisi en solo. Ensuite, ouvrez à nouveau les tranches des autres instru­ments pour évaluer le timbre corrigé dans le mixage.
Conser­ver une « taille de cloche » large et resser­rez si besoin.
Faire « ressor­tir » l’ins­tru­ment ou le rendre plus « discret » dans le mix. 1) Evaluer la bande de fréquences, tel que ci-dessus. Peut-être faudra-t-il utili­ser deux correc­teurs, si l’ins­tru­ment a une large tessi­ture.
2) Resser­rez la sélec­ti­vité du filtre au plus étroit possible autour des limites de jeu de l’ins­tru­ment.
3) augmen­tez légè­re­ment (pas plus de 3à 5 dB !) le gain du filtre.
Cà ne marche pas à tous les coups ! Parce que d’autres instru­ments sont peut-être dans la même zone de fréquences et que monter votre soliste les montera aussi. Dans ce cas, il faudra se rabattre sur le compres­seur multi­ban­des…
Mauvaise qualité d’une voix parlée captée par un micro Corri­ger les « problèmes » sur certaines consonnes. C’est proba­ble­ment sur les « pa », « da » et ce type de syllabes que se posent les problèmes : la solu­tion est dans le bas du spectre de fréquences, et plus préci­sé­ment dans le bruit de l’at­taque. Certaines consoles proposent un « coupe-bas » fixe, dont l’objet est préci­sé­ment de tenter de limi­ter ce souci. Choi­sis­sez le correc­teur « grave », et rédui­sez le gain de 2 à 3 dB. Adop­tez, si ce n’est pas le cas par défaut, un mode de filtrage de type « shel­ving » (plateau). A défaut, élar­gis­sez la cloche du filtre, au maxi­mum. Là encore, le résul­tat n’est pas forcé­ment acquis d’avance ! C’est toute­fois plus facile sur une voix parlée qu’une voix chan­tée. Si en dépit de vos efforts, les problèmes subsistent, il faudra aussi utili­ser un compres­seur.
Nuisance sonore en diffu­sion ou sur un enre­gis­tre­ment. Suppri­mer un bruit « para­site » ou un bruit de fond lié au lieu ou à la capta­tion. Iden­ti­fiez la fréquence para­site, comme nous l’avons fait plus haut : si c’est un problème « secteur », ce sera vers 50Hz ou un harmo­nique de 50Hz. Dès que la fréquence est bien ciblée, resser­rez la sélec­ti­vité au maxi­mum et atté­nuez le gain… autant qu’il faudra pour que le signal ne gène plus dans le mixage. Vous auriez dû vous en rendre compte à la capta­tion ! On ne pourra donc que « sauver les meubles » ! La correc­tion que vous appliquez sera d’au­tant plus effi­cace que la fréquence sera fixe. Mais… tout ce qui se trou­vera d’utile dans la même zone dispa­raî­tra avec le son para­site !
Article suivant dans la série :
Le timbre (II) →
  • Bebs7 127 posts au compteur
    Bebs7
    Posteur·euse AFfiné·e
    Posté le 19/09/2012 à 14:03:27
    Merci, c'est très utile pour les débutants...

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