Introduction "Audio Numérique" Cours 03 - STA PDF

Introduction à l'Audio Numérique Musitechnic Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Capter et reproduire l’audio Les caractéristiques analogiques Plan du cours De l’analogique au numérique : Les convertisseurs...

Introduction à l'Audio Numérique Musitechnic Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Capter et reproduire l’audio Les caractéristiques analogiques Plan du cours De l’analogique au numérique : Les convertisseurs Fréquence d’échantillonnage & Résolution Les problèmes associés à la conversion des données L’aliasing Les formats d’encodage Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Les trois différentes formes de l’audio Onde Sonores Voltage Électrique Code Binaire Accoustique Analogique Digitale Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Capturer l’audio Il est nécessaire de convertir la pression de l'air en voltage électrique. Le microphone est un transducteur. Un transducteur est un dispositif qui transforme un signal physique en un autre type de signal. Le voltage électrique peut être comparé à un signal analogique. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Conversion du signal audio Les convertisseurs audio sont utilisés pour enregistrer et reproduire des signaux sonores analogiques en données numériques ou l’inverse. Ils sont essentiels pour permettre aux dispositifs numériques de traiter et de reproduire des signaux sonores. Accoustique Analogue Digitale Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Conversion de l’Audio A/D Panneau frontale Panneau arrière D/A Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Les Interfaces Audio Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Les Interfaces Audio L'interface audio, aussi appelée carte son externe ou interface de son, est un dispositif électronique qui permet la connexion entre un ordinateur et divers équipements audio externes tels que des haut-parleurs, des microphones, etc. Son rôle principal est de convertir les signaux audio analogiques en signaux numériques et vice versa. L'interface audio peut être connectée à l'ordinateur ou à d'autres périphériques grâce à ces ports : USB, Thunderbolt ou Firewire. Plusieurs éléments sont à considérer: Nombre d’Entrées/Sorties audio, Qualité des Préamps, Entrées/Sorties MIDI, Etc. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Les Connexions USB-B Thunderbolt 3 USB-C Thunderbolt 2 Firewire HDMI / PCIe (PC only) (En disparition)  Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Caractéristique d’une Interface Audio Entrées Audio Analogique: Sorties Audio Analogique: XLR Playback: DAW Output Line Input: Monitoring Input Prise Combo (XLR/Line) Mix: Les deux INST (Instrument) Hi-Z 48v (Phantom Power) Preamp Gain Pendant l'enregistrement, il est possible d'entendre simultanément le playback et l'input. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Caractéristique d’une Interface Audio Suite Entrées et Sorties numériques : Coaxial (S/PDIF) RCA OPTICAL Exemple : Apollo Twin et OctoPre Jusqu'à 8 canaux d'entrée numérique supplémentaires par connexion optique TOSLINK Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Interface Audio USB Focusrite/Scarlett 2i2: 200 $ Volt 1 USB: 200 $ USB-B USB-C Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Interface Audio USB-C & Thunderbolt EVO 16: 760$ PreSonus Quantum 2626: 970$ USB-C Thunderbolt Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Pilotes & Logiciels Chaque interface audio présente des caractéristiques différentes ainsi que leur logiciel. Il est donc primordial de saisir le fonctionnement de votre interface audio. Pour pouvoir utiliser votre interface audio, il est essentiel d'installer les pilotes (drivers) pour permettre à votre ordinateur de la reconnaître. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Trouver la bonne interface audio La première question à se demander est quel sont vos besoins? Connexion Entrées/sorties Numériques Pilotes (Compatibilité) Fréquence d’échantillonnage Transportabilité Caractéristique (Dim, Mono, Etc.) Pre-amp et Convertisseur Prix/budget MIDI Nombres d’entrées/sorties Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Cylindre Phonographique Le cylindre phonographique est un support d'enregistrement sonore qui a été utilisé dans les premières décennies du XXe siècle. Il a été développé par Thomas Edison et est souvent associé à son invention emblématique, le phonographe. Les cylindres phonographiques étaient généralement fabriqués en cire ou en celluloid, bien que des matériaux alternatifs aient également été utilisés. La durée d'enregistrement d'un cylindre phonographique était relativement courte, généralement quelques minutes. Par conséquent, les utilisateurs devaient changer Création à partir de 1877 fréquemment de cylindre pour écouter une séquence plus longue de musique. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Magnétophone Analogique (Analog Tape) Le magnétophone analogique, est un dispositif d'enregistrement audio qui utilise une bande magnétique pour stocker les informations sonores de manière analogique. Ce type d'enregistreur était largement utilisé avant l'avènement des technologies numériques. Ils ont une sonorité caractéristique et certains professionnels de l'audio les apprécient toujours pour leur chaleur et leur couleur sonore uniques. Cependant, ils ont été largement remplacés par les enregistreurs numériques Création autour de 1930 Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Disque Vinyle Un disque vinyle est un support d'enregistrement sonore circulaire en plastique. Il est généralement fabriqué en polychlorure de vinyle (PVC). Les disques vinyles ont été un format populaire pendant des décennies, mais ont été largement supplantés par des formats numériques tels que les CD et les fichiers audio numériques au cours des années 1980 et 1990. Cependant, ces dernières années, il y a eu un regain d'intérêt pour les vinyles, avec de nombreux amateurs de musique qui apprécient la qualité sonore analogique et l'aspect collectible des disques vinyles. Créé en 1946 Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Cassette Audio Une cassette audio est une bande magnétique mince enroulée autour de deux bobines et contenue dans un boîtier en plastique. Elle est principalement composée d'oxyde de fer. Les cassettes ont été très populaires dans les années 70, 80 et une partie des années 90. Bien qu'elles aient perdu de leur popularité avec l'avènement des CD et des formats audio numériques, elles ont laissé un impact durable sur la culture musicale. Certaines personnes collectionnent toujours des cassettes pour leur aspect nostalgique et vintage. Créé en 1963 Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Caractéristique Analogiques Amplitude (Volume): Représente l’intensité du son, c'est-à-dire sa puissance. Fréquence (Temps): Indique le nombre de cycles sonores par seconde, influençant la hauteur perçue. Phase: La phase détermine comment deux signaux se combinent. En phase constructive, ils renforcent certaines fréquences, tandis qu'en phase destructve, ils peuvent s'annuler partiellement ou totalement. Polarité: La polarité se résume à deux états principaux; positif lorsque le signal varie vers le haut par rapport à un point de référence, et négatif lorsque le signal varie vers le bas. Rapport Signal/Bruit: Mesure du son en comparant le signal audio au bruit de fond. Ensemble, ces caractéristiques influent sur la qualité et la perception du son, en tenant compte du volume, de la fréquence, de la phase et de la qualité par rapport au bruit et de la reproduction fidèle des différentes fréquences sonores. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique La Distortion Analogique La distortion analogique concerne la distorsion sonore dans les systèmes analogiques d'enregistrement, de traitement et de reproduction audio. Les systèmes analogiques travaillent avec des signaux électriques continus. Contrairement aux systèmes numériques qui manipulent les signaux audio sous forme de nombres binaires. La distortion analogique peut être perçue de différentes manières en fonction du contexte musical et des préférences individuelles. Certains producteurs et audiophiles apprécient la chaleur et la couleur sonore ajoutées par la distortion analogique, considérant ces imperfections comme des caractéristiques esthétiques désirables. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Encodage numérique Il y a 2 facteurs important à prendre en compte afin de reconstruire une onde sonore dans le domaine numérique: La fréquence d’échantillonnage (Sample Rate) (Pour le temps) La Résolution (Bit Depth) (Pour l’Amplitude/Gamme Dynamique) Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Fréquence d’échantillonnage (Sample Rate) La fréquence d'échantillonnage, est une mesure qui indique le nombre d'échantillons de signaux analogiques qui sont prélevés par unité de temps pour être convertis en signaux numériques. Il s'exprime en hertz (Hz) et représente le nombre d'échantillons pris par seconde. Dans le contexte de la numérisation audio, le taux d'échantillonnage est crucial pour la qualité de la reproduction sonore. Plus le taux d'échantillonnage est élevé, plus la représentation numérique du signal est précise, car elle capture davantage d'informations sur les variations du signal analogique. Exemple: Si la fréquence d'échantillonnage est de 44,1 kHz Cela implique que 44 100 échantillons sont générés en une seconde. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Résolution (Bit Depth) La résolution audio se mesure en bits. La résolution joue sur la plage dynamique qui représente la différence entre le niveau sonore le plus bas (le bruit de fond) et le niveau sonore le plus élevé (le niveau limite). Une résolution plus élevée permet une plage dynamique plus grande, ce qui signifie une reproduction audio plus précise, en particulier pour les signaux faibles. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Résolution (Bit Depth) Une quantité exprimée par un nombre binaire est appelée un mot numérique. - 101 est un mot de 3 bits - 11010 est un mot de 5 bits. Un mot de n-bit (1 Bit) nous donne deux niveaux de résolution. 5 Pour le 5 bits vu ci-dessus, on a donc 2 = 32 niveaux Exemple: 8 bits = 256 niveaux 16 bits = 65,536 niveaux On a donc pour 16 bits une valeur d’intégration entre 32 768 et -32767 24 bits = 16 millions de niveaux Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Résolution (Bit Depth) 2 Bits 5 Bits 8 Bits 14 Bits Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Résolution (Gamme Dynamique) Affecte le rapport signal/bruit et la gamme dynamique (Nb de bits X 6 = Nb de dB disponible) Donc le rapport signal/bruit du système est donné à 6 dB pour chaque bit. Un système à 16 bits va avoir un rapport signal/bruit de 6 X 16 = 96 dB Tandis qu'un système à 24 bits va avoir 144 dB. Gamme dynamique: Il s’agit de l’écart de volume entre le son le plus fort et le son le plus bas audible. Rapport Signal/Bruit: C’est la différence entre le son qu’on ne veut pas entendre (noise/bruit), et celui qu’on veut entendre (le signal). Gamme dynamique numérique: L’écart de volume d’un fichier audio numérique, va de -infini (silence) jusqu’au 0 dBfs (le plus fort). Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Problèmes dans le monde de l'audio numérique Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Écrêtage (Clipping) Dans le domaine analogique : La distorsion (saturation) augmentera graduellement en approchant le niveau maximal de la bande (tape). Dans le domaine numérique : Le seuil du clipping est définie par le nombre de bits disponible. Dès que ce seuil est atteint, tous les niveaux au dessus distorsionneront numériquement. En d’autres termes, un son au-dessus de 0 dBfs clippera. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Repliement de spectre (Aliasing) Le repliement de spectre, connus sous le nom de "Aliasing" est une erreur de fréquence qui se produit principalement dans le monde numérique. Si la fréquence du signal audio est plus élevée que la fréquence d'échantillonnage, une fréquence parasite apparaîtra. Ces fréquences parasites sont des "alias" du signal audio, d'où le terme "aliasing". Pour résoudre ce problème, il est essentiel de comprendre la fréquence et le taux de Nyquist. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Repliement de spectre (Aliasing) Wagon-Wheel Effect: Imaginez une roue tournant à une certaine vitesse. Si vous prenez des photos de la roue à une fréquence insuffisante, elle pourrait sembler tourner à une vitesse différente dans les images échantillonnées. Voici un exemple d'aliasing temporel, où la fréquence de rotation de la roue n'est pas correctement affichée. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Fréquence Nyquist & Filtre Passe-Bas Afin d'éviter l'émergence de fréquences incorrectes lors de l'échantillonnage, il est essentiel de faire passer le signal par un filtre passe-bas. Le filtre passe-bas est utilisé pour éliminer toutes les fréquences au-delà de la moitié de la fréquence d'échantillonnage. En appliquant ce filtre avant la conversion A/D, nous nous assurons que les composantes de fréquence supérieures à la moitié de la fréquence d'échantillonnage ne seront pas présentes dans le signal converti, évitant ainsi l'aliasing. 24kHz 48kHz Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Fréquence Nyquist & Taux Nyquist Fréquence Nyquist: Si on échantillonne une fréquence (F) plus haute que la fréquence Nyquist (Fn) une fréquence erronée (Fe) sera La fréquence de Nyquist est la moitié de la produite. fréquence d'échantillonnage d'un signal. Fn - F = Fe Fréquence d’échantillonnage 48 kHz = = 24 kHz 2 2 Donc, si on essaie d'échantillonner un signal de 25 KHz (F), (inaudible mais existant), avec une vitesse Taux Nyquist: d'échantillonnage de 48 kHz (Fn), une fréquence erronée de 23kHz (Fe) est produite. Il s'agit du taux d'échantillonnage minimal nécessaire pour représenter correctement un 48kHz – 25kHz = 23 kHz signal continu. Le taux d'échantillonnage doit être au moins deux fois la fréquence maximale du signal. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Fréquence Nyquist & Double de la Fréquence Pourquoi le double de la fréquence? Le théorème d'échantillonnage de Nyquist stipule que pour représenter fidèlement une forme d’onde complète, vous devez échantillonner au moins deux fois la fréquence de cette onde. Ainsi, échantillonner au moins deux points par cycle assure que vous capturez suffisamment d'informations pour reconstruire avec précision une onde sonore. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Filtre de reconstruction Quelque soit la résolution, nous aurons toujours une onde plus ou moins carré. Même à très petite échelle. Le filtre de reconstruction en audio numérique intervient après la conversion numérique-analogique (D/A). Il lisse le signal analogique, éliminant les composantes de fréquence non désirées et garantit ainsi une reproduction sonore fidèle en éliminant les distorsions. Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Aperçu des formats d’encodage audio Formats d’encodage audio Non compressé Compressé sans perte Compressé avec perte WAV FLAC MP3 BWF Apple Lossless (ALAC) AAC AIFF OGG (Vorbis) WMA Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Formats d’encodage: Non-Compresser Format: WAV Format: BWF (WAV) Format: AIFF Le Waveform Audio Format (.wav) Le Broadcast Wave Format (.wav) Le Audio Interchange File Format (.aiff) (Version mac du wav de microsoft) Avantages: Avantages: Avantages : Sans perte de qualité Sans perte de qualité Sans perte de qualité Bonne qualité sonore Bonne qualité sonore Bonne qualité sonore Timecode dans les metadata Métadonnées ID3 Désavantages : Désavantages: Désavantages : Fichier très lourd (+/- 50 MB) Fichier très lourd (+/-50 MB) Fichier très lourd (+/-50 MB) Fichier pas plus gros que 2GB Fichier pas plus gros que 2GB Fichier pas plus gros que 2GB Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Formats d’encodage: Compresser sans perte Format: FLAC Format: Apple Lossless Le Free Lossless Audio Codec (.flac) Le Apple Lossless Audio Codec (.alac) Avantages: Avantages: Fichiers compressés sans perte Fichiers compressés sans perte Très utilisé pour l’archivage Gère les tags Taille des fichiers divisés par 2 Compression de 40% Métadonnées ID3 Désavantages : Désavantages : Fichiers encore assez lourds Fichiers encore assez lourds Moins efficaces que les flac Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Formats d’encodage: Compresser avec perte Format: MP3 Format: AAC Format: OGG Le Mpeg-1/2 Audio Layer 3 (.mp3) Le Advanced Audio Coding (.aac) Le Ogg Vorbis (.ogg) Avantages: Avantages: Avantages: Fichiers légers (+/-5Mo) Fichiers légers Fichiers légers Facilite le transfert de fichier Meilleure qualité que le MP3 Meilleure qualité que le MP3 Désavantages: Désavantages: Désavantages: Format compressé Format compressé Format compressé Qualité audio réduite Qualité audio légèrement réduite Qualité audio légèrement réduite Utilisé d’avantage dans le Jeu Vidéo Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Qualité & Taille des fichiers Qualité Standard (WAV) Taille des fichiers L'équation suivante est utilisée pour calculer la Le CD-Audio: taille d'un fichier audio: (Taux d'échantillonnage) x (Nombre d'octets) x (Nombre de secondes) x (Nombre de voies) = Taille du fichier en Octets/Bytes. Fréquence d’échantillonnage: 44,1 KHz Résolution: 16 bits Pour un fichier WAV stéréo de: 192kHz/32Bits/1minute. La taille sera de 92,16 Mo. Le DVD / BlueRay: Sample Rate Bit Depth = File Size 44.1 kHz 16 Bit 5.1 Mb Fréquence d’échantillonnage: 48 KHz (96Khz, 192Khz) 44.1 kHz 24 Bit 7.6 Mb Résolution: 24 bits 96 kHz 16 Bit 11.0 Mb 96 kHz 24 Bit 16.6 Mb 192 kHz 16 Bit 22.0 Mb 192 kHz 24 Bit 33.2 Mb 192 kHz 32 Bit 44.0 Mb Musitechnic Introduction à l'Audio Numérique Sample Rate CPU Pourquoi ne pas utiliser les fréquences d’échantillonnage et résolution les plus élevés? Comme nous l’avons vu précédemment la résolution et la fréquence d’échantillonnage jouent sur la taille des fichiers. La résolution (Bit Depth) n’affectera pas votre CPU. Par contre pour la fréquence d’échantillonnage, travailler en 96Khz, fera travailler 2 fois plus votre CPU qu’en 48Khz.