Stocker le Son Analogique et Numérique

Le Son: Définition

Ce qu'on appelle communément "le son" est une vibration mécanique qui en se propageant sans l'air vient atteindre notre tympan et le fait vibrer sur le même dessin. Les terminaisons nerveuses du tympan tranduise ce "dessin" en une information interpretable et reconnaissable par notre cerveau éduqué. Le son "audible' est celui dont la vibration oscille entre 20 et 20000 fois par seconde (20Hz et 20000Hz). 

Le "timbre" est le dessin du son, ce qu'il fait qu'il est reconnaissable entre d'autres sons. On représente souvent le son par une belle sinusoide uniforme. Or s'il ne s'agissait que d'une seule sinusoide, il serait impossible de reconnaitre un son parmi d'autres. Pour information, le son produit par une simple sinusoide est connu de tous ceux qui ont déjà subi des acouphènes. Le son est en fait la succession dans le temps d'additions de milliers de sinusoides de fréquences et d'amplitudes différentes qui caractérise son timbre de manière unique.

La "stéréo" est la production, stockage ou lecture en simultanés de deux sons correspondant à deux points de l'espace différents. L'intérêt est de reproduire la position spatiale des éléments ayant produit le son. Mais savez vous que nous avons 3 oreilles et non 2 ? En effet, les vibrations produites par un son sur nos os du crâne sont aussi interprétées pour la profondeur de l'émission. A savoir si un objet est devant, près, loin, derrière etc.. Aussi, la quadriphonie est inutile pour la prodondeur car notre cerveau construit tout seul cette dimension avec un son stéréo.

Stocker le son directement, l'Analogique

Le microsillon: Nous connaissons tous les vinyles, un peu moins les phonographes et encore moins le cylindre phonique.. Le point commun entre ces modes de stockage est que le son est gravé tel quel sur un support tendre à l'aide d'une aiguille qui creuse un sillon dont la profondeur est fonction exacte de l'amplitude du son (la dite addition des sinusoides). Pour la relecture, le sillon est de nouveau parcouru par une aiguille dont le système de suspension permet de suivre précisement les amplitudes gravées. Cela provoque la vibration mécanique de l'aiguille. Dans le cas d'un phonographe, la vibration mécanique est amplifiée en y fixant un cône en métal. L'onde se propage alors dans le cône et son amplitude grandit aussi mécaniquement. Le son devient assez fort pour être audible.  Pour la platine vinyle, l'aiguille appellée diamant, est montée sur de mini electro aimants et chaque vibration est transformée en onde électrique analogique amplifiable par la suite.  Le son stéréo est simplement stocké dans l'espace du sillon: flanc droit pour un canal, flanc gauche pour l'autre. 

La bande magnétique: (image source larousse.fr) On dépose sur une bande plastique une couche d'oxyde de métal. Les molécules d'oxyde étant polarisables et l'état de polarisation durant dans le temps, elles ont le pouvoir de mémoriser un état de polarisation. Le son d'abord converti en onde électrique analogique est transmis à une bobine (tête de lecture et enregistrement) qui, au contact de la bande magnetique, va polariser les molecules d'oxyde en fonction de l'amplitude. En faisant défiler la bande, cette dernière mémorise les différentes amplitudes et donc l'onde sonore en intégralité. Pour la lecture, même schéma, on fait défiler la bande mais cette fois ci, c'est le défilement de la bande qui excite la bobine et produit alors une onde électrique sonore. La stéréo était enregistrée en utilisant une tête de lecture avec deux bobines l'une sur l'autre. Il y avait ainsi deux canaux parallèles sur la bande.

La question souvent posée est: puisque d'un côté l'enrouleur de la bande grossit, comment la bande peut toujours aller à la même vitesse ? En fait la vitesse de la bande est maintenue par des galets en caoutchouc à vitesse fixe qui pincent la bande. L'enrouleur est sur un moteur qui est finalement sans cesse freiné par la bande elle même de manière a ce que la bande n'aille pas plus vite que l'enrouleur.

Il s'agit du premier média réenregistrable. Juste devant la tête d'enregistrement/lecture, on place une autre tête d'effacement qui réordonne et repolarise les molécules de manière uniforme comme sur une bande neuve. Ce média a été largement été utilisé en studio car il est très facile d'enregistrer et d'effacer des morceaux. Selon la largeur de la bande, il a été possible d'enregistrer jusqu'à 8 pistes sur une seule largeur de bande (et donc autant d'instruments séparés).

Stocker ou transmettre le son directement dans sa forme primitive pose quelques soucis car cette onde est très sensible aux interférences. De plus, un son complexe est une somme d'ondes simples de fréquences et d'amplitudes différentes. Chacune de ces ondes simples a un comportement différent lors de sa propagation. L'idée est donc de transformer le son en "codes simples" plus faciles à transmettre. 

Coder le son: Le numérique

L'échantillonage temporel: ?

Le codage numérique est ultra simple: il s'agit d'enregistrer la valeur de l'amplitude de l'onde à chaque instant. 44000 instants par secondes par exemple pour le codage utilisé sur les CD. Selon la précision que l'on veut donner au codage, on établit une échelle de valeurs plus ou moins fines. Par exemple, on peut noter la valeur de l'amplitude de l'onde sonore entre 0 et 9, ce qui fait 10 valeurs possibles. Aussi entre 0 et 99, soit 100 valeurs possibles et 10 fois plus précis. Pour le CD par exemple, l'échelle est entre 0 et 2 puissance 16, soit plus de 65500 valeurs possibles. Le codage numérique d'un CD c'est noter la valeur de l'onde 44100 fois par seconde sur une echelle allant de 0 à 65535 (ou de -32768 à +32765..).

On obtient une grande suite de nombre qu'on code en numérique, suite de "bits" dont les valeurs sont "0" ou "1". 8 bits permettent de coder un nombre entre 0 et 2 puissance 8, entre 0 et 255 (ou -128 à 127). 16 bits entre 0 et 65535 (ou -32768 à +32765), etc..

Sur un CD, l'information binaire est marquée telle quelle. Un disque CD est un disque plastique sur lequelle une couche réfléchissante (or 24 carats généralement) laisse apparaitre l'information. Contrairement à ce que l'on croit, chaque point réfléchissant ne représente par 1 bit. Le principe est plus conplexe. Sur un dique pressé, toute la surface est réflechissante. Elle est composée de trous et de bosses dont la profondeur et la hauteur sont égales à la moitié de la longueur d'onde du laser. Le rayon refléchi sur la surface (rayon retour) est donc déphasé de 1/2 et s'annule sur le faisceaux aller. Ce prénomène est l'interference destructrice. Lorsque le laser rencontre un changement d'état (monté ou descente d'un trou), il n'y a plus de déphasage, le rayon retour n'est plus détruit et cela provoque un "1".  

Une seconde de musique stéréo représente donc 88200 nombres, une minute 2 646 000 nombres, une heure..158 760 000? nombres...  Le principe de compresser l'information a donc été rapidemment appliquée au son. Deux approhes de compression existent: la compression sans perte et la compression avec perte. 

La compression sans perte est simplement la réécriture de l'information de manière plus concise en la décrivant. Par exemple pour la compression "ZIP", si 5 bits à "1" se suivent on va coder une information plus courte indiquant 5x1 plutot que 11111. L'idée est donc de décrire l'information en recherchant des répétitions, occurences, multiples etc.. Cette compression fonctionne mal pour l'information audio. 

La compression avec perte la plus utilisée est le mp3. Le son passe d'abord par une série de filtres dont le nombre dépend de la précision désirée. Ces filtres génerent un modèle "psycho acoustique". Ce modèle est créé en retirant les fréquences non audibles par l'oreille humaine. Alors bien qu'un puriste audiophile pourrait dire qu'il entend toutes les fréquences, cela n'est pas vrai dans toutes les situations. Par exemple, difficile d'entendre un moustique voler dans un concert de rock. D'une manière générale, il l'oreille n'est pas capable d'entendre un son faible dans un son fort. Autres défauts de l'oreille: elel n'est pas capable d'entendre certaines fréquences précises si elles suivent d'autres fréquences précises sans un temps d'adaptation. En retirant tou cela, le son est simplifié et des filtres sortent des échantillons de musiques auxquels on attribue un code.  L'algorithme de compression n'a plus qu'à décrire le son avec ces codes (et d'autres paramètres comme la balance, etc) désigant les échantillons constituant la musique.

Auteur:  Vincent Ludot- SonoPourTous - Tous droits réservés