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Définition du son

De l'analogique au numérique

A l'heure où le tout numérique tente petit à petit de prendre la place de l'analogique, il est bon de se poser la question de savoir plus précisément ce qu'est vraiment le numérique, ses possibilités, et ses limitations.

Dossier 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 ?

Le son est perçu car le tympan vibreSous 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 :

Signal analogique sous forme de pression   Signal analogique 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.

Exemple de convertisseurs analogiques numériques (CAN)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 !

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