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Le Son Numérique: Une Acoustique Affranchie De LE SON NUMÉRIQUE : UNE ACOUSTIQUE AFFRANCHIE DE LA MÉCANIQUE ? J. Risset To cite this version: J. Risset. LE SON NUMÉRIQUE : UNE ACOUSTIQUE AFFRANCHIE DE LA MÉ- CANIQUE ?. Journal de Physique IV Proceedings, EDP Sciences, 1992, 02 (C1), pp.C1-3-C1-11. 10.1051/jp4:1992101. jpa-00251043 HAL Id: jpa-00251043 https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00251043 Submitted on 1 Jan 1992 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. JOURNAL DE PHYSIQUE IV Colloque Cl, supplément au Journal de Physique III, Volume 2, avril 1992 LE SON NUM~QUE:UNE ACOUSTIQUE AFFRANCHIE DE LA MÉCANIQUE ? J.C.RISSET Laboratoire de Mécanique et d>Acoustique,31 Chemin Joseph Aiguier; F-13000 Marseille, France Abstract. Since 1875, there have been radical innovations in Our ways to deal with sound. Sounds could be recorded and converted into electrical vibrations and vice-versa. Electronics made radio and sound recording practical. A new era came about with the advent of digital recording, synthesis and processing of sound, pioneered in 1957 by Mathews. Sounds can now be coded arbitrarily and elaborated with unprecedented precision and flexibility, which seems to free acoustics from the constraints of mechanics. This has opened new applications in speech, music, noise absorption, room acoustics; as dernonstrated by acoustic illusions, it has also greatly improved Our understanding of auditory perception, specially in the field of timbre. The limitations of digital acoustics depend upon the differential capacities of perception rather than upon the constraints of mechanics. Yet Our auditory perception is geared to a world of mechanically-produced sounds, and mechanics should not be given a cavalier dismissal, as the work of Gibson and Cadoz has suggested: the specifics of mechanical vibrations shed light on the the perceptual organization in the hearing process. In particular, digitally-implemented mechanical models may - at least in certain cases -turn out to be more valuable for the creation of musical sounds than signal- processing models. However the ultimate criterion for endeavours related to hearing remains perceptual. Introduction Depuis 1875, I'acoustique a connu des innovations radicales. L'apparition de l'enregistrement, de I'électroacoustique, de l'électronique, puis du traitement numérique des sons, ont remis en cause la sujétion de la production sonore aux vibrations mécaniques. II semble à première vue que I'acoustique numérique puisse s'affranchir de la mécanique. Cependant notre ouïe a évolué dans un environnements d'objets vibrants: aussi la prise en considération des contraintes et des particularités des vibrations mécanique s est-elle importante pour comprendre les idiosyncrasies de la perception auditive et pour en tirer parti. Je souhaite le demontrer dans cet article, avec l'aide pour l'exposé au Congrès d'illustrations sonores et visuelles. Révolutions sonores Au xlxBrnesiècle, on a pu transcrire des ondes sonores sous forme graphique. Edison parvient en 1877 à reproduire des sons à partir de gravures graphiques. D'un phénom8ne atmosphérique fugitif, l'enregistrement fait un objet susceptible d'examen, d'analyse, un évènement archivable, qu'on peut reproduire en l'absence de sa cause initiale. En 1875, Bell invente le téléphone: l'électricité y vbhicule des vibrations d'origine acoustique. L'électroacoustique verra ses possibilités accrues par i'électronique, qui permet le développement de la radio, du cinéma parlant et de l'enregistrement sur disques. Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jp4:1992101 Cl4 JOURNAL DE PHYSIQUE IV Le codage numérique des sons, réalisé en 1957 par Mathews, ouvre une nouvelle ère : il permet d'appliquer au domaine acoustique les ressources de I'ordinateur, immense réservoir d'opérations possibles, de "machines virtuelles" définies par la programmation. Le codage numérique (ou "digital") est discontinu, "discret"; il introduit une granularité, une quantification qui correspond initialement à une perte d'information: cependant cette perte peut être minimisée de façon à être inappréciable par nos sens. Un codage avec une précision de 16 bits, couramment réalisé aujourd'hui, correspond à un rapport signal sur bruit bien meilleur que ce que donne n'importe quel enregistrement analogique. Et le format du disque compact prgvoit pour chaque canal 44100 échantillons numériques pour une seconde de son, ce qui est suffisant pour reconstituer fidèlement n'importe quelle onde sonore audible, puisque l'homme n'entend que les fréquences inférieures à 20000 Hz. (La possibilité de représenter par des échantillons discrets une onde limitée en fréquence et de restaurer à partir des échantillons la fonction continue originelle par lissage était connue bien avant Shannon - peut-être par Cauchy: en tout cas, Whittaker l'avait démontrée dès 1917). Le codage numérique donne accès à une véritable maîtrise du signal. La discontinuité et I'arbitrarité du codage permettent de protéger la représentation du signal, qu'il soit fort ou faible, contre les déformations, et en particulier contre la contamination par le bruit, plaie des enregistrements "analogiques". A la différence des circuits électroniques, aux étranges idiosyncrasies, I'ordinateur permet l'élaboration du signal sonore avec une précision, une reproductibilité et une flexibilité sans précédent - ce qui peut d'ailleurs donner lieu à des effets inattendus. Ces possibilités d'élaboration paraissent libérer la production sonore numérique de la sujétion de aux vibrations mécaniques. Certes, les haut-parieurs émettent le son par des membranes vibrantes, qui introduisent certaines limitations. Cependant une bonne enceinte acoustique est une source sonore assez générale, qui se prête à l'émission de sons très variés, issus de diverses sources acoustiques - sons de parole ou d'instruments de musique, ou sons produits par synthèse informatique et imitant les sons instrumentaux ou vocaux ou s'en écartant radicalement. Dans le cas des sons de synthèse, aucune vibration mécanique n'intervient dans la genèse du son. L'acoustique "numérique" ne peut-elle dès lors s'affranchir de la mécanique? Avant de donner des éléments de réponse, je voudrais évoquer des applications propres au son numérique dans quelques domaines de l'acoustique. Applications du son numérique à la parole La synthèse et la reconnaissance automatique de la parole par ordinateur font depuis une trentaine d'années l'objet de nombreuses recherches. L'enjeu est important: la parole est le véhicule principal de la communication humaine, et le r6seau téléphonique en permet une diffusion planétaire. La reconnaissance automatique habiliterait un ordinateur à réagir à des commandes parlées, et la synthèse permettrait de transmettre sous forme vocale les informations demandées à une banque de données. Mais la synthèse et surtout la reconnaissance posent des problèmes très difficiles, qui n'ont pu être résolus de façon satisfaisante que dans des conditions limitatives: on commence à les appliquer dans des cas pratiques bien précis, par exemple pour assister les handicapés. En tout cas, les recherches sur la parole numérique ont fait considérablement progresser la phonétique. Le codage de la parole permet de réaliser cryptophonie ou compression d'information. Le son numérique commence à être utilisé pour la messagerie vocale informatique: on peut stocker sur le disque optique effaçable de I'ordinateur NeXT environ dix heures de parole de qualité téléphonique. Application du son numérique au contrôle de l'environnement sonore La précision propre au son numérique permet d'envisager l'absorption acoustique active, c'est-à-dire l'atténuation d'un son en lui ajoutant le son "opposé". Particulièrement étudiée au Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique de Marseille (L.M.A.), cette technique a donné lieu notamment à un casque protecteur dont l'isolation est accrue par absorption acoustique active. On en trouvera un panorama dans les Actes du Colloque "Contrôle actif vibro-acoustique et dynamique des vibrations" , qui s'est tenu en 1991 pour marquer le cinquantenaire du L.M.A. Réverbération numérique, acoustique architecturale, environnements virtuels Schroeder et Logan ont proposé en 1963 un paradigme pour réaliser une réverbération artificielle sans coloration, et Chowning l'a mis en oeuvre sur ordinateur pour simuler des "environnements virtuels", des "espaces illuso~res". Pour suggérer l'éloignement du son dans l'espace, Chowning fait décroître le son direct en laissant subsister un niveau de réverbération constant. II donne l'impression que les sources sonores sont animées d'un mouvement rapide en contrôlant finement l'évolution de l'intensité dans différents haut- parleurs, et surtout en introduisant des variations de fréquence simulant l'effet Doppler. Chowning a ainsi réalisé en quadriphonie de saisissantes illusions de mouvement de sources, qui démontrent la capacité du son numérique à échapper aux contraintes matérielles. II existe de plus en plus de salles dans lesquelles l'acoustique est assistée
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