Lire les fréquences pour choisir son matériel audio
En audio, les fréquences sont des vibrations de l’air mesurées en Hertz (Hz) pour le nombre de vibration par seconde. Plus il y a de vibrations, plus le son sera aiguë, à l’inverse, moins il y a de vibration, plus le son est grave.
Quant on parle de fréquence dans l’univers audio on parle souvent de la capacité d’une enceinte à restituer un son aigu ou grave et de notre oreille à percevoir ces sons. Mais il existe aussi une 2e définition de la fréquence depuis l’ère de la musique numérique (~1970-1980) à propos de ce qu’on appelle la fréquence d’échantillonnage, qui elle n’est pas tout à fait lié à la capacité de restitution sonore d’une enceinte ou de notre oreille à la percevoir. Voyons ensemble comment comprendre ces subtilités de l’univers complexe de l’audio, et de manière très simple, sans évoquer des notions hyper complexes.
Définition: Le spectre audio
Le spectre audio, ou spectre sonore, est la plage des fréquences perceptibles par l’oreille humaine; du son le plus grave au son le plus aigu.
Courbe de perception des sons par l’oreille humaine. Source: Maxicours
L’audition de l’Homme est comprise entre 20Hz et 20 000Hz (ou 20kHz). D’après Harry Olson dans « Musique, Physique et Ingénierie« , dans des conditions idéales de laboratoire, l’Homme pourrait entendre aussi bas que 12Hz et aussi haut que 28kHz, mais il est bon de noter que la perception des sons chute drastiquement après 15kHz, en particulier chez l’adulte.
L’audition de l’Homme est donc à considérer essentiellement autour de 20Hz à 18kHz (rare sont les adultes capable d’entendre au delà). A noter que l’importance des sons entre 14kHz et 20kHz n’est pas primordiale et n’empêche en aucun cas de comprendre des dialogues ou de la musique.
En regardant le graphique de près, on constate 2 choses:
- La première est que notre champs auditif est concentré sur la ‘zone conversationnelle’, les sons que notre oreille perçoit le mieux, et par incidence, que l’on entend le plus fort même émient à volume égal. C’est à dire de 500Hz à 8 000Hz.
- La seconde, est que notre seuil de perception minimal et maximal est limité en terme d’intensité sonore, soit de volume en décibels (dB).
De la perception humaine à la qualité d’une enceinte
On peut donc en déduire que pour choisir du matériel audio, il est important d’avoir des enceintes aptes à reproduire des sons allant des fréquences graves / basses à partir de 20Hz et pouvant monter jusqu’à des fréquences très haute autour de 18kHz, voir 20kHz, et ce avec un volume sonore qui doit idéalement rester le même sur tout « le spectre audio ».
La réponse en fréquence d’une enceinte
On appelle réponse en fréquence la capacité d’une enceinte à reproduire des sons allant des fréquences (Hz) les plus graves au fréquences les plus aiguës.
Il s’agit d’un des critères principaux pour choisir une enceinte dont l’objectif est une reproduction fidèle du son comme les enceintes Hi-Fi (High Fidelity). Puisque notre oreille dispose en moyenne d’une audition d’environ 20Hz à 20kHz, reproduire cette plage de fréquence semble être la solution idéale, sauf qu’en réalité c’est très difficile à reproduire. D’autant plus difficile que l’on aimerait que les 19 980hz de notre plage de fréquence soient tous reproduits avec le même volume sonore (pour correspondre au maximum à ce que l’on entend dans la réalité).
Comment lire une courbe de réponse en fréquence audio
Voici à titre d’exemple la réponse en fréquence d’une très bonne enceinte :
Enceinte bibliothèque SVS Ultra. Valeur neuve de 1.149€ la paire.
Dans l’exemple ci-dessus:
- la hauteur de la ligne violette indique le volume sonore en décibel (dB),
- la gauche du graphique correspond à la fréquence la plus basse perceptible par l’oreille humaine : 20Hz,
- et la droite du graphique correspond à la fréquence la plus haute, 20 000Hz (ou 20kHz).
Théoriquement, le scénario idéale serait donc d’avoir un trait parfaitement droit, cela signifierait que l’enceinte serait apte à reproduire n’importe quel son avec exactement le même volume sonore. La reproduction serait donc, encore une fois théoriquement, parfaite.
Comme vous l’avez compris, l’enceinte prise en exemple n’est donc pas théoriquement parfaite. Comment pouvons nous donc juger de sa qualité ?
La qualité d’une enceinte: une affaire de fréquences et de décibels
Si l’on se réfère de nouveaux à l’exemple précédent, on voit que l’enceinte produit beaucoup moins de décibels à 20Hz qu’à 500Hz, cela va se traduire à l’écoute par une présence pratiquement inexistante des notes à 20Hz (un Mi à l’octave 0 par exemple).
Pour que l’on considère qu’un son est audible, il faut qu’il n’y ait pas trop de différences de volumes entres les notes, et donc les fréquences. En général en écoute de musique Hi-Fi, c’est à dire écoute exigeante, on considère que la courbe doit se mesurer à ± 3 dB (lire « plus ou moins 3 décibels »). Avec ce niveau d’exigence on mesure donc la courbe avec 6 décibels d’écart entre 2 sons ! Pour un usage home cinéma, on est pas forcément aussi exigeant car les enceintes ont des rôles définis, ainsi on tolère généralement ± 6 dB.
Qu’est ce que l’on entend vraiment sur une enceinte ?
Pour se représenter une lecture claire il faut essayer s’imaginer une ligne faisant la moyenne de la courbe dans les conditions HiFi et Home Cinema.
Faisons cet exercice ensemble pour l’enceinte SVS Ultra utilisé auparavant:
- On voit que pratiquement toute une plage allant de 50Hz à 20kHz tient dans la limite de plus ou moins 3 decibels. A l’exception des fréquences autour de ~230Hz et de ~500Hz qui seront plus plus mis en avant.
- On voit aussi que presque tout le spectre audio est tout de même compris à plus ou moins 6 décibels, il y a sur cette enceinte 11dB d’écart entre le son le plus fort et le plus faible si on garde notre ligne référence imaginaire.
Sur cette unique base théorique voici ce qu’on peut dire : La lecture de cette courbe d’un point de vue globale nous laisse penser qu’avec des fréquences un peu plus expressives de 50Hz à 2 000Hz que de 2 000Hz à 18 000Hz, nous avons affaire à une enceinte qui s’exprime joliment par les basses et les medium type sons de guitares et electro, qui brillent surement en musique rythmée, capable également de bien restituer les voix et la majorité des sons et étant assez douce et peu fatigante à l’écoute grâce à des aigus un peu en retrait. On pourrait toutefois imaginer que ce n’est pas la meilleure enceinte pour écouter uniquement du piano car on aurait un déséquilibre dans les 3 octaves les plus hauts par rapport aux autres. Ne vous leurrez pas, il s’agit d’une très bonne enceinte pour tout usage, mais elle semble, d’après sa courbe, plus brillante avec une écoute rythmée, dynamique voir punchy.
La fréquence d’échantillonnage
Voila vous en savez plus sur les fréquences audio perçues et reproduites, maintenant abordons les fréquences d’échantillonnages, servant à créer les sons.
Que l’on créer de la musique analogique, c’est à dire en enregistrant de la musique avec un micro, ou bien que l’on créer de la musique numériques, en utilisant un logiciel sur ordinateur, nous devons établir une fréquence d’échantillonnage.
En musique analogique : cela va se faire via un processus de conversion analogique vers numérique, l’échantillonnage, en créant un ainsi un volume d’échantillons de notre musique par seconde. Le standard imposé par le CD dans le monde pour la fréquence d’échantillonnage est de 44,1kHz (ou 44 100 Hertz), cela veut dire qu’il y a 44 100 micro bouts de son découpés et joués chaque seconde sur un CD.
Plus une fréquence d’échantillonnage est élevée, plus l’encodage du son en numérique sera précis.
En numérique c’est beaucoup plus simple: on choisit les sons que l’on souhaite jouer sur l’ordinateur avec un paramètre pour la fréquence d’échantillonnage. Généralement 44,1kHz pour la musique et 48kHz pour les pistes audio accompagnant de la vidéo.
Pourquoi 44.1 et 48 kilohertz ?
Rappelez vous, nous avons dis que le spectre de l’audition de l’Homme va de 20Hz à 20kHz, c’est du moins le référentiel retenu car en réalité c’est moins pour l’adulte, et bien le théorème de Nyquist-Shannon admet qu’une fréquence d’échantillonnage doit avoir le double d’échantillons (les micro bout de sons par seconde) de la plus haute fréquence que la musique doit reproduire. Vu que l’on veut que nos musiques couvrent l’intégralité de ce que l’on entend il fallait au moins 40 kHz (le double de 20kHz), on s’est simplement offert une marge avec 44.1kHz (afin de couvrir des sons de 0Hz à 22 050 Hz). Pour le cinéma, nous sommes allées encore un peu plus loin avec 48kHz car on va également écouter des sons plus inhabituels que la musique (bris de verre, porte qui claque…etc) on a donc voulu couvrir encore plus large.
D’autres exemple de fréquences d’échantillonnage pour des usages audio
En téléphonie, pour les appels, on utilise une fréquence d’échantillonnage de l’audio de 8kHz, cela veut dire que l’on aura accès à une plage de fréquences audio de « seulement » 4 000 Hz. Encore une fois, pourquoi 4kHz ? Tout simplement car la parole de l’humain se situe entre 200 et 3 500Hz, on a voulu couvrir plus large pour être certain et nous avons ainsi 4kHz.
Peut être vous vient-il plein d’autres question, par exemple pourquoi se contenter de 8kHz comme fréquence pour l’audio téléphonique ? Et bien pour des raisons de vitesse de transmission, une piste audio de 8kHz étant 2x plus petite que 16kHz et 4x plus petite que 32kHz…etc La téléphonie à une fréquence de 8kHz à 8 bit, 8000 x 8 = 64 000, cela signifie qu’un appel demande une vitesse de transmission de 64 kbps. On est loin de la fibre ! :p
La téléphonie est sur une fréquence d’échantillonnage de 8kHz et la radio FM sur une fréquence de 32kHz.