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La gestion des niveaux sonores (1): les mesures en décibels

Vu-mètre pour la mesure des niveaux sonores

L’ensemble des traitements audio repose essentiellement sur la gestion des niveaux sonores.

La différence de niveau est avant tout une sensation subjective, propre aux mécanismes de notre oreille. Mais c’est aussi possible de la mesurer objectivement autour de diverses grandeurs acoustiques: la puissance, la pression ou encore l’intensité sonore. Ces mesures acoustiques se traduisent en mesures électriques lors de l’utilisation d’appareils analogiques (micro, table de mixage, HP…) ou numériques pour le travail du son dans l’ordinateur.

Quel est alors le point commun entre toutes ces notions pour définir le fait qu’un son est plus ou moins fort? Réponse: les décibels.

On peut donc trouver autant de définitions du décibel suivant que l’on parle de telle ou telle grandeur. Ce qui est souvent source de confusion. L’objectif de l’article est de te présenter toutes les représentations des niveaux sonores aussi clairement que possible et sans rentrer dans des formules mathématiques compliquées.

Les mesures acoustiques des niveaux sonores

L'intensité acoustique

Partons de la grandeur physique de l’intensité acoustique. C’est une mesure de puissance par unité de surface et son unité est en Watts/mètres carrés (W/m²).

Pour avoir un ordre d’idée des grandeurs de puissance acoustique autour de nous: la voix normale émet une puissance de 0,01 milliwatt (mW), la voix criée 1 mW. Cela va jusqu’à 1000 W pour un avion à réaction ou dans l’autre sens, un microwatt pour le bruit d’une montre mécanique.

La pression acoustique

Une autre grandeur physique du son est la pression acoustique. J’avais parlé dans un article précédent de la propriété de dynamique sonore de l’onde acoustique, de part son amplitude. On a vu que celle-ci se caractérise par des variations de pression acoustique.

Il s’agit d’une force par unité de surface et se mesure en Pascals (Pa) par rapport à la pression de référence qui est la pression atmosphérique. Celle-ci existe en permanence, même en l’absence de son et vaut environ 10^5 Pa.

Là encore, on peut se faire une idée: le volume d’une voix normale est de l’ordre de 1 millipascal et 1 Pa pour le bruit dans un bar/concert.

Différence et relation entre intensité et pression

Intensité et pression acoustique ne représentent pas le même concept physique¹. Cependant, elles sont inter-dépendantes: plus l’intensité est forte et plus la pression est forte, et vice-versa (l’intensité acoustique varie comme le carré de la pression²).

On comprend donc aisément à partir de ces valeurs qu’il n’est pas facile de toutes les représenter sur un même graphique. Et les différences de valeurs peuvent être énormes! C’est là qu’interviennent les décibels.

Afin de rassembler toutes ces valeurs sur une échelle plus simple et plus restreinte, on les transpose en une unité commune (le décibel dB) en prenant comme référence (0 dB) le seuil d’audibilité.

¹ On peut faire l’analogie avec une canalisation d’eau: le débit (l’intensité est un flux d’énergie acoustique à travers une surface) ne représente pas la même chose que la pression.

² La relation entre intensité acoustique et pression n’est pas tout à fait la même suivant qu’on se trouve en champ libre (loin de tout obstacle) ou avec des réflexions et du son réverbéré.

Le seuil d'audibilité comme niveau de référence 0 dB SPL

Le seuil d’audition (ou d’audibilité) est le son audible le plus faible détectable par notre oreille. Il est évalué en intensité acoustique à 10‾¹² W/m². Pour la pression acoustique, la valeur de pression au seuil, ou encore “pression de référence” est de 20 µPa (0,00002 Pa pour une fréquence de 1000 Hz). Au seuil d’audition, l’amplitude des vibrations du tympan est très petite: c’est de l’ordre de grandeur du rayon de l’atome d’hydrogène!

On a donc: 0 dB SPL équivalent à 20 µPa pour une pression acoustique, et 10‾¹² W/m² pour une intensité acoustique.

Pour des grandeurs acoustiques, on parle de dB SPL, ce qui veut dire décibel “Sound Pressure Level” (niveau de pression du son).

Quant au seuil de douleur, c’est le son le plus fort supportable par l’oreille humaine (120 dB SPL). Elle est de l’ordre de 20 Pa, et de 1 W/m² pour l’intensité acoustique.

Donc, du son audible le plus faible au son le plus fort supportable par l’oreille, il y a un écart de un million de Pascals, et même de mille milliards en intensité acoustique! En décibels, cela donne une échelle de 0 à 120 dB, bien plus simple à manipuler, n’est-ce pas?

Une définition du décibel comme un rapport entre deux valeurs

Le décibel exprime toujours un rapport entre deux valeurs d’une même grandeur physique (la puissance, la pression, ou encore la tension électrique). C’est indispensable pour mettre en commun différentes grandeurs physiques en une seule unité de mesure.

Et pour faciliter les calculs, le logarithme décimal de ce rapport est choisi (d’où le terme décibel, car l’unité de base est en fait le Bell). La fonction logarithme transforme une multiplication en une addition et une division en soustraction. C’est alors beaucoup plus simple pour calculer des puissances acoustiques ou électriques: une amplification ou gain (dB positifs) et une atténuation ou perte (dB négatifs).

Ainsi, on ne multiplie jamais des décibels! Ils s’additionnent ou se soustraient.

Par exemple, un doublement de la puissance en Watts correspond à une augmentation de +3 dB. Et si on multiplie la puissance par 16 (2 x 2 x 2 x 2), cela correspond à une augmentation en décibel de 3 + 3 + 3 +3 = +12 dB.

Mesure électrique (analogique) et numérique

En tant que musicien ou producteur en MAO, on sera plus amené à manipuler des grandeurs physiques en rapport avec nos appareils électriques analogiques ou numériques pour le codage du son dans l’ordinateur.

Par exemple, un microphone fait le lien entre grandeur acoustique et électrique. En effet, il convertit les changements de pression d’air en variations de tension électrique en volts. Tu trouveras donc dans la documentation d’un micro sa pression maximale supportée en dB SPL.

Puis après le microphone, le signal audio devient électrique pour entrer par exemple dans une console de mixage analogique. Cette fois-ci le décibel sera défini par un rapport de tensions électriques. Et là aussi, un certain 0 dB a besoin d’être défini par une valeur de tension de référence.

Niveaux électriques et leur unité (dBu, dBm, dBV)

L’unité en décibel du niveau qui traduit l’amplitude d’un signal électrique est le dBu. Et la référence en tension équivalente à 0 dBu est de 0.775 Volts.

C’est le niveau mesuré par les Vu-mètres des consoles de mixage (voir plus loin). Dans le décibel électrique, la référence de 0 dBu ne correspond plus à un seuil de perception, mais au niveau électrique optimal qui fournit un rapport signal/bruit exempt de distorsion.

Ce niveau nominal électrique de fonctionnement d’un appareil analogique professionnel est de +4 dBu, soit environ 1,23 Volts.

Pourquoi cette référence à 0.775 V?

Historiquement, on mesurait le niveau électrique référencé par rapport à une puissance de 1 mWatt sous 600 Ohms d’impédance, ce qui correspondait aux impédances d’entrée-sortie des lignes téléphoniques de l’époque. L’unité en décibel était alors le dBm.

0 dBm est équivalent à 1 mW dans 600 Ω, ce qui correspond bien à une tension de 0,775 V. Car pour rappel, Puissance = (tension)²/ Impédance donc tension = √(Puissance x Impédance).

Progressivement (dans les années 70), le mode de contrôle des signaux électriques des niveaux (micro, ligne, …) est passé à un contrôle en tension. Du coup, dans l’audio moderne, cette référence à 0,775 V a été gardée même si les appareils ne fonctionnent plus du tout sous 600 Ω.

Et le dBV?

Tu trouveras cette unité de dBV uniquement pour des appareils audio “grand public”. Elle représente la mesure de tension par rapport à une référence de 1 V, à la différence des 0,775 V des dBu.

Le Vu-mètre

Le Vu-mètre est l’indicateur de niveau par excellence que l’on retrouve dans tout studio utilisant du processing analogique du signal (voir photo de l’article et image ci-dessous).

Le temps d’intégration de cet appareil de mesure, c’est-à-dire le temps de réaction de l’aiguille qui indique le niveau est de 300 ms. Ceci n’est pas anodin car cela correspond plus ou moins au fonctionnement de notre oreille (environ 200 ms).

Cela veut dire qu’il indique une mesure (plus ou moins) correcte du niveau “moyen” (il n’affiche pas vraiment le niveau des crêtes ou “peak” en temps réel). L’affichage nous donne du coup une véritable idée du niveau/volume sonore subjectif perçu (ressenti).

Effectivement, notre oreille est plus sensible aux variations du volume moyen qu’aux transitoires (pics de volume). Encore heureux, parce que la différence entre les deux peut être tellement grande que sans cette capacité, nous serions obligés de nous boucher les oreilles à chaque son percussif.

Mesure des niveaux sonores avec un Vu-mètre
Exemple de Vu-mètre sous forme de plug-in (ici celui de Waves)

Cette visualisation du volume sonore est tellement pratique que l’on peut aujourd’hui retrouver ce genre d’analyseur sous forme de plugin!

L’image ci-dessous représente ce volume “moyen” (trait noir) en comparaison avec le signal (en gris). Bien entendu, j’irai plus en détail su ce que signifie ce niveau moyen dans un article ultérieur sur la dynamique du son et les types de mesure.

Niveaux sonores moyen (Vu-mètre)

Sur le Vu-mètre, l’unité de mesure est le VU (“Volume Unit”). Un intervalle de 1 VU = 1 dB.

Il est établi que le 0 VU correspond généralement au niveau nominal électrique +4 dBu. Mais en terme de volume perçu, on est libre de choisir le niveau moyen en dB (le niveau “0” nominal) auquel correspond ce 0 VU.

En effet, le niveau moyen de chaque piste est choisi en fonction de son caractère plus ou moins dynamique. Par exemple, une nappe de synthé est peu dynamique et son niveau moyen est donc à 0 VU, voire au-dessus. Par contre, pour une caisse claire, le signal est très dynamique et le niveau moyen sera choisi bien en-dessous du 0 VU.

C’est de là que vient le terme “headroom”. Il s’agit de l’écart entre ce niveau moyen nominal et le maximum avant écrêtage du signal. Il faut savoir que dans tout appareil analogique, cette zone est mal définie (4 dB, 10 dB, 20 dB?). Tant que l’on a pas atteint le maximum, le signal est peu distordu (“soft clipping”). Ce niveau moyen choisi est donc un compromis à faire entre le bruit de fond et la saturation du signal.

Le dB numérique: dBFS (décibel "Full Scale")

Voyons maintenant le cas où le signal électrique passe dans un convertisseur A/N pour être transformé en un signal numérique pouvant être lu par l’ordinateur. Les tensions en volts sont alors converties en nombres discrets (codages de bits en 0 ou 1).

En numérique, il n’y a plus de référence physique. Le niveau de référence est le niveau maximal codable (“tous les bits à 1”). Donc le plus haut niveau numérique (correspondant à la limite maximale du signal) est à 0 dB. Au-delà, le son n’est plus “exploitable”.

Il s’agit du 0 dBFS (FS pour “Full Scale”, ce qui veut dire à pleine échelle car tous les bits pour coder le signal le plus haut sont à la valeur “1” et on ne peut plus aller plus haut).

Les mesures en dB dans notre ordinateur seront donc toujours négatives.

Dans le monde digital, contrairement au Vu-mètre, il n’y a plus de “0” nominal à choisir. Cette fois c’est un 0 dBFS qui représente le maximum à ne pas dépasser (“hard clipping”).

La relation entre dBFS et décibels électriques (dBu…) dépend de l’interface entrée-sortie. Pour la conversion en numérique, les normes européennes prévoient que le niveau de référence 0 VU (+4 dBu) soit calibré à -18 dBFS. En Amérique du Nord, le 0 VU correspond à -20 dBFS.

Conclusion

Il faut bien comprendre qu’une valeur en dB ne représente aucun niveau absolu. C’est toujours un rapport (ou différence) entre deux valeurs. Ou alors il s’agit d’un niveau absolu par rapport à sa référence (0 dBu, 0 dB SPL…).

Dans le prochain article, je parlerai des niveaux sonores tels qu’on les perçoit. Il est en effet beaucoup plus difficile de faire correspondre un niveau sonore mesuré avec sa sensation subjective associée. Par exemple, un son paraît-il deux fois plus fort si on double la pression acoustique?

C’est l’étude de la perception des niveaux (en dB SPL) qui va nous permettre de comprendre comment notre oreille analyse ces différences de volume sonore.

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