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La gestion des niveaux sonores (2): Décibels et Loudness

Décibels et Loudness

Comment est-ce possible de ressentir une musique plus forte qu’une autre alors que son indicateur de niveau montre un maximum plus faible? Qu’est-ce qui fait qu’un son, une musique se ressente plus “fort” à nos oreilles qu’une autre? Une nouvelle évaluation de sensation du niveau sonore est nécessaire: le loudness ¹.

On a vu jusque là que le niveau sonore est directement lié à l’amplitude de son signal. Des mesures de pression acoustique ou de tension électrique apportent une évaluation objective en décibels. Mais la relation entre la perception du son et des grandeurs comme la pression ou la puissance n’est pas linéaire. L’échelle du loudness se différencie des mesures acoustiques en dB SPL.

Pour faire cette évaluation “subjective”, des tests d’écoute sur un large panel de personnes différentes est nécessaire. Les résultats montrent une relation logarithmique entre la sensation auditive et la grandeur physique. On va voir que ce niveau en décibel, donc le loudness, varie fortement suivant la fréquence et le type de son (sa temporalité: une détonation ou un son constant et continu, etc…).

Ces considérations ont des conséquences de première importance dans la production et le mixage musical.

¹ La traduction française du “loudness” est rare si ce n’est par le terme de “sonie” pour exprimer la sensation subjective du niveau sonore.

Le Loudness: sensation en logarithme

Les tests d’écoute (donc le fonctionnement de nos oreille) montrent que la sensation de niveau sonore est proportionnelle au logarithme de l’excitation (loi de Fechner).

La variation en logarithme montre que la courbe augmente rapidement au début puis de plus en plus lentement:

Sensation logarithmique des décibels et du loudness

En conséquence, chaque fois que le produit de l’excitation double (la pression acoustique par exemple), la sensation auditive augmente d’une valeur constante.

Il s’ensuit qu’à des faibles niveaux sonores (peu de cellules auditives “excitées”), la moindre variation de pression entraîne une variation importante de la sensation (augmentation considérable du nombre de cellules excitées).

A des forts niveaux sonores, c’est comme si nos cellules auditives étaient “saturées”. Il faut alors de grandes variations de pression pour arriver à obtenir une sensation de niveau un peu plus fort qu’il ne l’est déjà.

Pour rappel, cette perception logarithmique du son est valable autant sur le plan dynamique que fréquentiel. En effet, si tu as bien suivi la série d’articles sur les EQ, j’avais déjà montré l’échelle logarithmique des octaves dans un spectre fréquentiel.

Echelle de perception du niveau sonore

Dans l’article précédent, on a vu que l’échelle des décibels, entre seuil d’audition et de douleur, s’étend simplement de 0 à 120 dB (cette valeur de 120 dépend fortement du contexte et de la durée du signal sonore).

Il ne faut toutefois pas en conclure que des sons inférieurs à 0 dB ou supérieurs à 120 dB n’existent pas!

Par exemple, la pression dans l’air se mesure par rapport à la pression atmosphérique totale (101300 Pascals), soit 194 dB SPL.

Echelle de perception des décibels

Seuil différentiel de perception et gammes de niveaux

On possède donc une gamme de changements perceptibles dans le loudness supérieure à 100 décibels. Mais une audition humaine ne permet guère de percevoir un changement inférieur à 1 dB. C’est pourquoi le décibel s’arrondit en général à l’unité (72 dB au lieu de 71,8).

Sur cette échelle de perception du niveau sonore, on peut classifier les bruits en quatre catégories (source du CIDB: http://www.bruit.fr)Bruits légers (entre 0 et 30 dB), bruits gênants (entre 30 et 60 dB), bruits fatigants (entre 60 et 100 dB) et bruits dangereux (au-delà de 100 dB).

Étendue dynamique d'un orchestre symphonique

Dans le cas d’un orchestre symphonique, on peut considérer que le niveau le plus faible est d’environ 60 dB et le plus fort à 90 dB. Ce qui donne une dynamique de 30 dB.

En considérant que de réelles différences de niveaux sont perçues au-delà de 5 dB, cela donne une dynamique s’étalant sur 6 niveaux perceptibles. Ce sont les six nuances de niveau que l’on retrouve dans la notation musicale: pianissimo (pp), piano (p), mezzo piano (mp), mezzo forte (mf), forte (f), fortissimo (ff).

Niveau tolérable en concert

En concert, la valeur légale autorisée est de 105 dB SPL².

Un autre fait pratique que tu dois connaître à propos du loudness est qu’il est possible que le son soit si fort qu’il puisse endommager l’ouïe de façon permanente. Par conséquent, un conseil lors d’un concert avec de la musique très forte, ne te tiens pas directement devant les enceintes.

Les dommages à l’audition qui en résultent ne peuvent pas (encore) être annulés (ils détruisent en fait les minuscules cellules ciliées qui relient l’oreille interne au cerveau!).

² Pour en savoir plus, voir le site du CIDB ou encore ici.

Les forts niveaux sonores sont une arme mortelle

Au-delà de rendre sourd, il faut savoir que des sons à des niveaux extrêmes peuvent tuer!

Pour une surpression de courte durée (coup de feu par exemple):

  • à 185 dB SPL, on a 1% de chance de rupture du tympan
  • à 204 dB SPL, on a 99% de chances de rupture du tympan

Pour une surpression de longue durée (centièmes de secondes):

  • 189-194 dB SPL: seuil d’hémorragie pulmonaire
  • 197-200 dB SPL: seuil d’hémorragie pulmonaire grave
  • 203 dB SPL:  mortel à 1%
  • 210 dB SPL: mortel à 99%

Addition des niveaux sonores

Un fait important à considérer est que si deux instruments de musique produisent un même son, le changement de loudness ne double pas!

En effet, un doublement de l’intensité acoustique correspond à environ +3 dB de changement de loudness (rappelles-toi du calcul des décibels en log à l’article précédent: les décibels ne se multiplient pas).

Si la source sonore ajoutée est exactement la même (on dit qu’elles sont corrélées), le changement de loudness est de +6 dB. Bien sûr, ce cas (deux sons exactement pareils) n’existe pas dans la nature. Mais en mixage par exemple, le fait de dupliquer une piste va impliquer un changement de loudness de +6 dB.

Et si on veut avoir la sensation que le son est deux fois plus fort (loudness x 2)?

Il faut alors augmenter le niveau de +10 dB. Il faut donc environ dix instruments jouant la même note pour doubler le loudness d’un seul. Cela revient à dire qu’il faut multiplier la puissance de la source par 10!

Vaut-il alors mieux amplifier une seule source ou en ajouter dix fois plus?

Tout dépend du contexte. Par exemple, pour une chorale ou un orchestre, il faut mettre 100 choristes (ou violons) pour que le son paraisse deux fois plus fort qu’avec 10 choristes (ou violons)! Dans ce cas là il vaut mieux amplifier.

Mais si on veut un son moins artificiel, il vaut mieux multiplier les sources que d’amplifier une seule. En effet, un grand nombre d’instruments jouant à l’unisson produit des fluctuations d’amplitudes (battements) qui génère un son plus naturel.

Cela a des implications en mixage audio suivant que l’on veut un son plus naturel ou au contraire artificiel. On préférera soit augmenter le niveau d’une seule piste ou alors dupliquer la piste en apportant des modulations (en amplitude et/ou en fréquence) subtiles aux différents duplicats.

Conclusion

Outre sa dépendance logarithmique par rapport à une mesure physique, le loudness se détache de la mesure purement objective du niveau sonore. Le fonctionnement même de notre oreille est sensible à d’autres paramètres influant les niveaux sonores alors qu’une mesure au sonomètre donnerait la même valeur.

C’est ce que tu verras dans l’article suivant: le loudness est fortement dépendant du son dans sa temporalité ainsi que dans son contenu fréquentiel.

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