Définition du son - De l'analogique au numérique

Avant d’en­trer dans le vif du sujet, prenons le temps de redé­fi­nir ensemble quelques notions. Au fil de ces pages je vais privi­lé­gier le sens logique, l’in­tui­tion et l’ex­pé­rience person­nelle plutôt que des consi­dé­ra­tions mathé­ma­tiques, physiques ou de théo­rie du signal.

Ce dossier permet de bien débu­ter dans ce domaine. Un second dossier, plus poussé et plus complexe, est dispo­nible sous le doux nom de Les secrets de l’au­dio­nu­mé­rique.

Pour commen­cer, qu’est ce que le son ?

Sous sa forme la plus simple, le son n’est qu’une vibra­tion méca­nique, c’est à dire un mouve­ment plus ou moins complexe d’objets maté­riels autour de leurs points d’équi­libre. En l’oc­cur­rence, si un audi­teur perçoit un son, c’est parce que les parti­cules d’air immé­dia­te­ment limi­trophes de ses tympans vibrent. Par ailleurs, inter­vient égale­ment un phéno­mène de propa­ga­tion de ces vibra­tions dans certains maté­riaux : le son atteint géné­ra­le­ment les oreilles de l’au­di­teur après avoir été trans­mis par l’air depuis sa source (remarque : sous l’eau, ce sont les parti­cules d’eau qui trans­mettent le son).

C’est la source qui est à l’ori­gine de la vibra­tion. Posez la main sur votre gorge en émet­tant un son, posez la sur un haut parleur : les objets qui émettent du son sont des objets vibrants. Ensuite cette vibra­tion se trans­met de proche en proche par l’in­ter­mé­diaire du milieu (l’air, l’eau…). Dans le vide, le son ne se propage pas puisqu’il n’y a pas de milieu maté­riel.

Le son sous forme analo­gique

Les audi­teurs entendent des sons, car la pres­sion de l’air change légè­re­ment dans leurs oreilles. A un point fixe, c’est la pres­sion d’air qui va vibrer au cours du temps. On peut repré­sen­ter cette varia­tion de pres­sion par rapport au temps sous forme graphique. De la même façon cette pres­sion, récu­pé­rée par un capteur (micro­pho­ne…), peut être repré­sen­tée sous forme de tension :

Le premier signal élec­trique que je vais intro­duire est le signal élec­trique analo­gique. C’est celui que l’on observe immé­dia­te­ment à droite du graphe de pres­sion au cours du temps. Il est direc­te­ment semblable (analogue) à la pres­sion au cours du temps à un facteur multi­pli­ca­tif près. Le signal élec­trique analo­gique qui nous inté­resse ici n’est en fait qu’une varia­tion tempo­relle d’un poten­tiel élec­trique simi­laire aux varia­tions de pres­sion de l’air au cours du temps. Les corres­pon­dances entre ces deux phéno­mènes physiques sont usuel­le­ment réali­sées grâce aux micro­phones et haut-parleurs.

L’in­for­ma­tion analo­gique est consti­tuée de valeurs conti­nues dans le temps, c’est à dire qu’à tout instant corres­pond une valeur (de pres­sion par exemple). De plus le signal analo­gique peut prendre n’im­porte quelle valeur dans les limites du système. On ne peut pas quan­ti­fier un nombre d’état de la pres­sion: il existe une infi­nité de valeurs. C’est le système de repré­sen­ta­tion le plus riche et le plus précis.

Codage numé­rique et conver­tis­seurs

Par oppo­si­tion aux signaux analo­giques, l’in­for­ma­tion numé­rique est consti­tuée de valeurs discrètes, c’est à dire que l’on connaît la valeur du signal unique­ment à certains instants. Un signal numé­rique est une suite tempo­relle de valeurs binaires.

Une unité d’in­for­ma­tion binaire s’ap­pelle un bit (de l’an­glais binary digit), et un bit ne peut emprun­ter que les valeurs 1 ou 0.

Conti­nuons avec quelques notions sur les nombres binaires. Dans le système déci­mal usuel, chaque chiffre repré­sente une puis­sance de dix alors qu’il repré­sente une puis­sance de deux dans le système binaire. Un nombre consti­tué de plus d’un chiffre binaire (bit) est appelé « mot » binaire (c’est un peu la même distinc­tion qu’entre chiffre et nombre). Plus un mot contient de bits et plus le nombre d’états qu’il peut repré­sen­ter est impor­tant : un mot de 8 bits admet 256 (2 à la puis­sance 8) états et un mot de 16 bits en admet 65536 (2 à la puis­sance 16). Le bit de plus faible poids (2 puis­sance 0) est appelé élément binaire de poids faible (LSB ou Least Signi­fi­cant Bit) alors que le bit de plus grand poids est appelé élément binaire de poids fort (MSB ou Most Signi­fi­cant Bit).

L’in­for­ma­tion sonore analo­gique sous forme élec­trique est conver­tie sous forme élec­trique numé­rique par l’in­ter­mé­diaire d’un système appelé conver­tis­seur analo­gique-numé­rique (A/N ou [def]CAN[/def]). Il est établi qu’un signal analo­gique peut emprun­ter un nombre infini de valeurs, alors qu’un signal numé­rique ne peut emprun­ter qu’un nombre limité de valeurs fixées. Le nombre de valeurs fixées possibles pour un signal numé­rique dépend de la longueur des mots binaires utili­sés, autre­ment dit du nombre de bits. Afin de conver­tir un signal analo­gique en signal numé­rique, il est néces­saire de mesu­rer son ampli­tude à inter­valles de temps régu­liers (c’est l’échan­tillon­nage) et d’af­fec­ter une valeur binaire à chacune des mesures (c’est la quan­ti­fi­ca­tion).

Le proces­sus de conver­sion analo­gique-numé­rique a une inci­dence majeure sur la qualité finale du signal audio­nu­mé­rique. En effet, la qualité du message musi­cal, une fois converti, ne peut jamais s’amé­lio­rer, mais plutôt empi­rer. Pour les appli­ca­tions audio­nu­mé­riques, l’offre s’étend aujour­d’hui du conver­tis­seur 8 bits/32 kHz jusqu’au conver­tis­seur 24 bits/192 kHz très haut de gamme, en passant par le tradi­tion­nel conver­tis­seur 16 bits/44,1 kHz. Comme la suite de cette partie le démontre, le taux d’échan­tillon­nage et le nombre de bits par échan­tillon sont les prin­ci­paux facteurs qui influent sur la qualité audio. La qualité des conver­tis­seurs déter­mine quant à elle la diffé­rence entre la qualité sonore obte­nue et la qualité théo­rique fixée par ces deux facteurs.

Très bien­tôt, nous publie­rons un dossier plus complet et plus complexe sur le sujet. Stay tuned !