La durée - Les bases de l'acoustique : la durée

Si, pour le physi­cien le temps s’ex­prime en seconde, la façon dont le musi­cien peut le ressen­tir est plus fluc­tuante : varia­tion comme l’ac­cé­lé­ra­tion incons­ciente du tempo ou manque de justesse liée au stress. En effet, la hauteur qui est défi­nie par la fréquence, est une valeur liée au temps et dépend donc de l’éva­lua­tion psycho­lo­gique que nous faisons de la seconde. Si celle-ci paraît plus courte ou plus longue, la note peut s’écar­ter de sa justesse réelle en un peu plus aigue ou en un peu plus grave.

La petite histoire dit qu’au moyen âge, donc bien avant l’in­ven­tion du métro­nome en 1816, on se repé­rait par rapport au pouls humain. Mieux valait choi­sir un musi­cien de réfé­rence plutôt zen !

Une expé­rience

Pour ceux d’entre vous qui se rappellent encore de ce que pouvait être un magnéto à bande, une note de piano passée à l’en­vers ne sonne plus du tout comme un piano et un texte de Racine écouté en retour­nant la bande, se met étran­ge­ment à ressem­bler… à du Suédois. En effet, ce que notre oreille ne perçoit que comme un seul et même amal­game sonore est en réalité un petit chemin de fer composé de quatre wagons diffé­rents : si nous l’ob­ser­vons en marche avant ou en marche arrière, l’ordre d’ar­ri­vée des infor­ma­tions ne sera pas le même et de fait notre percep­tion du message sonore sera diffé­rente.

C’est cette notion qui est expri­mée à travers la concep­tion de courbe d’A.D.S.R. appe­lée aussi, courbe d’en­ve­loppe. Le programme ‘Rever­se’ que proposent certaines unités de réver­bé­ra­tion ne joue sur rien d’autre que sur l’en­ve­loppe d’une réver­bé­ra­tion. Forcé­ment décrois­sante et du type de la figure 1, si on la resti­tue à l’en­vers, on joue la fin du signal avant le début !

A.D.

Pour qu’un phéno­mène sonore se produise, il faut conju­guer les fonc­tions de deux agents :

• Un élément exci­ta­teur : celui qui apporte l’éner­gie
• Un élément excité : celui qui la reçoit et qui entrera en vibra­tion pour engen­drer l’onde sonore

Par exemple dans le cas du violon, l’élé­ment exci­ta­teur est l’ar­chet, l’élé­ment excité la corde. Pour la timbale, l’élé­ment exci­ta­teur est la mailloche, l’élé­ment excité la peau de l’ins­tru­ment. Chaque étape de l’A.D.S.R. mesu­rera le rapport temps/ éner­gie de chacune de ces quatre phases.

A comme Attack

L’at­taque est le temps de trans­fert de l’éner­gie lorsqu’elle passe de l’élé­ment exci­ta­teur à l’élé­ment excité. L’im­por­tance de l’at­taque est fonda­men­tale pour tous les instru­ments dont notam­ment les percus­sions. Dans le cas un peu parti­cu­lier que repré­sente le piano, une grande partie de l’iden­tité spéci­fique du timbre de l’ins­tru­ment est donnée préci­sé­ment par la qualité de l’at­taque, c’est-à-dire, par la tech­nique de jeu de l’ins­tru­men­tiste. Les instru­men­tistes à vent ont aussi appris à déve­lop­per des tech­niques de thon­ging en faisant, comme son nom l’in­dique, inter­ve­nir la langue et qui permettent de créer des attaques assez percus­sives. Dans le cas d’une prise de son de voix, on est parfois confronté à une tran­si­toire d’at­taque déme­suré, soit parce que l’ar­tiste chante très fort, soit parce qu’en voix parlée, un orateur sature le micro­phone en faisant claquer les consonnes dites occlu­sives (‘d’, ‘t’ et ‘p’). Le compres­seur permet de limi­ter les dégâts, mais beau­coup plus simple­ment, un filtre anti-pop devant le micro a toutes les chances de résoudre le problè­me… Le mythe du Klee­nex tendu devant le micro n’était pas complè­te­ment inef­fi­cace, mais on sait faire mieux main­te­nant !

D comme Decay

Le decay pour­rait être analysé comme le temps de stabi­li­sa­tion du signal; on peut le figu­rer comme étant la diffé­rence entre l’éner­gie initiale de l’at­taque et celle utile à son entre­tien. Dans le cas d’un instru­ment à son non entre­tenu, c’est-à-dire, sans phase sustain, la diffé­rence entre decay et release n’est pas forcé­ment flagran­te… Les dernières phases s’en­chaînent sans que l’on puisse distinc­te­ment les cloi­son­ner. (figure 3)

S.R.

S comme Sustain

C’est le temps pendant lequel on conti­nue à four­nir de l’éner­gie. Il peut y avoir deux possi­bi­li­tés: celle où le son est entre­tenu comme sur la figure 2 (par exemple les instru­ments à vent où il faut conti­nuer de souf­fler pour faire vivre la note) et celle où le son est amorti, figure 3 (par exemple un tambou­rin, une fois le coup donné sur la peau, le son durera tant que cette dernière aura accu­mulé assez d’éner­gie pour conti­nuer à vibrer).

La première caté­go­rie donnera nais­sance à des spectres harmo­niques, la seconde à des spectres non harmo­niques. (voir le dossier sur le timbre)

R comme Release

Lorsqu’il n’y a plus d’ap­port en éner­gie, le son se relâche jusqu’à son extinc­tion. Dans le cas d’un signal amorti, cette étape s’ins­crit dans la conti­nuité de la précé­dente. Le cas du release est assez complexe. Son action débute en prin­cipe, une fois que le musi­cien n’a plus de contrôle actif sur le signal et se termine quand l’éner­gie produi­sant le son est tota­le­ment épui­sée. Dans le cas du piano, la note conti­nue à sonner, une fois la touche lâchée, si la pédale d’étouf­foirs est enfon­cée et laisse les cordes vibrer natu­rel­le­ment jusqu’à amor­tis­se­ment complet. D’autre part et d’une certaine manière, on est forcé de consi­dé­rer que l’acous­tique du lieu a une action sur le release ! Le même instru­ment, joué dans une pièce de 3m sur 4 ne sonnera pas, au niveau de son extinc­tion, de la même manière que dans une cathé­dra­le… L’ef­fet de traî­nage qui résulte d’un release un peu long peut être confor­table, pour certaines sono­ri­tés synthé­tiques, mais n’est que diffi­ci­le­ment contrô­lable dans le cas d’une prise de son acous­tique.

Synthé­ti­ser une enve­loppe

Il y a deux cas précis d’ex­ploi­ta­tion de l’ADSR dans nos mani­pu­la­tions pratiques. La première nous renvoie évidem­ment au synthé­ti­seur. Les premiers modèles analo­giques prévoyaient que l’on puisse ajus­ter chaque section de l’exis­tence d’un son, à l’image des modèles des instru­ments acous­tiques. Dans le cas du synthé­ti­seur, le filtre d’en­ve­loppe (ou EG, pour enve­loppe gene­ra­tor) commande un VCA (Voltage Control­led Filter) et asser­vit le niveau sonore du signal aux réglages des para­mètres ADSR. En clair, l’os­cil­la­teur produit un signal de puis­sance constante qui va être routé vers un VCA qui rece­vra ses instruc­tions de commande de l’ADSR : le VCA modi­fie son niveau de fonc­tion­ne­ment en fonc­tion de la tension qui l’ali­mente. Celle-ci est déli­vrée par l’ADSR. L’en­ve­loppe décrite à la figure 2 corres­pon­drait à l’ac­tion suivante, sur le bouton de volume d’un ampli : montée progres­sive de zéro » jusqu’à un niveau choisi (A), puis réduc­tion rapide (D) jusqu’à un second niveau stable (S), puis descente progres­sive jusqu’à zéro ®. Si l’on analyse bien, les réglages d’ADSR permettent d’ajus­ter le temps pour passer du A au D, puis du D au S et enfin, du R à… plus rien, et le niveau rela­tif du S, déduit de la diffé­rence entre la fin de l’at­taque et la fin du decay.

Un peu d’his­toire

Cette approche a long­temps été consi­dé­rée comme suffi­sante, même si l’on doit recon­naître une certaine approxi­ma­tion: en effet, on ne joue pas sur les niveaux abso­lus des segments A, D et R, mais sur des niveaux rela­tifs défi­nis par le niveau du Sustain… Il faudra attendre le DX7, au début des années 80, pour que l’on puisse voir appa­raître des géné­ra­teurs d’en­ve­loppe à huit réglages (Fig.4), sépa­rant niveau et temps. Si un tel dispo­si­tif a apporté de nouvelles oppor­tu­ni­tés en termes de capa­ci­tés d’ajus­te­ment et de créa­tion sonore, la resti­tu­tion des tran­si­toires par le biais d’un simple système de filtrage n’est pas encore satis­fai­sante, et la numé­ri­sa­tion des échan­tillons sonores a, avec le D50 Roland, permis d’uti­li­ser de véri­tables attaques échan­tillon­nées avec des sons synthé­tiques. Tous les construc­teurs ont ensuite appliqué des tech­no­lo­gies équi­va­lentes sur leurs instru­ments. De nos jours, la modé­li­sa­tion physique permet de recréer les enve­loppes origi­nales des instru­ments et leurs inter­ac­tions sur les sono­ri­tés fabriquées, mais les para­mètres A, D, S, R restent toujours présents pour ajus­ter les enve­loppes dyna­miques des sons.

De la compres­sion…

Deuxième condi­tion où le musi­cien-tech­ni­cien peut se trou­ver confronté à la mani­pu­la­tion d’un géné­ra­teur d’en­ve­loppe: le compres­seur. Ce dernier dispose en effet souvent de réglages d’en­ve­loppe, qui vont modu­ler dans le temps l’ac­tion de compres­sion (Fig.5).

Selon les équi­pe­ments, on trou­vera essen­tiel­le­ment un réglage d’At­taque, corres­pon­dant au temps de montée de l’ac­tion de compres­sion une fois que le signal a atteint le seuil de compres­sion. En réglant l’at­taque lente, l’ac­tion du compres­seur sera beau­coup plus discrète et permet­tra une utili­sa­tion dont l’ef­fi­ca­cité sera main­te­nue, mais sans que l’ef­fet soit sensible : à recom­man­der pour un mixage clas­sique, par exemple. En revanche, toutes les crêtes instan­ta­nées corres­pon­dant à des attaques courtes risquent d’échap­per au trai­te­ment. Une attaque réglée courte permet­tra au compres­seur d’agir instan­ta­né­ment, mais l’ef­fet de pompage carac­té­ris­tique risque d’être perçu. En musiques actuelles, cela peut donner un effet inté­res­sant, si on l’ex­ploite tout de même avec parci­mo­nie. On peut aussi parfois trou­ver un réglage de release, corres­pon­dant au temps de ferme­ture du compres­seur qui modi­fiera le temps mis par celui-ci pour reve­nir à sa valeur de gain initial. De même que pour l’at­taque, un temps moyen sera plus discret, en resti­tuant le niveau d’ori­gine plus déli­ca­te­ment. À l’op­posé, un release réglé sur zéro pourra, si le compres­seur doit se déclen­cher fréquem­ment, donner des effets de vague du niveau parti­cu­liè­re­ment désa­gréa­ble…

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.