La Chronique du son: La numérisation

Bonjour à tous,

Aujourd’hui, nous parlons du son. Et à l’instar de notre précédente chronique sur le Vinyle, il va s’agir ici de vous présenter non pas une musique, mais un support.

Nous allons nous attacher aujourd’hui à faire une présentation générale de la musique numérique, ou plus simplement, comment stocke t’on du son numériquement.

La base du principe, ça va être de se demander, comment une onde sonore est numérisée.

Si vous avez quelques notions d’acoustique, vous savez que le son est une onde, un mouvement d’air, qui va faire vibrer une paroi (votre tympan, un micro …) pour être retranscrite en impulsions électriques, qui indiquent à votre cerveau ce que vous entendez.

Pour enregistrer un son de manière analogique, on construit donc un micro, une membrane qui va vibrer avec l’air et on retranscrit ces vibrations en impulsions qui vont être

  • Soit amplifiées et re-diffusées par des haut parleurs (qui sont exactement l’inverse du micro, des impulsions électriques font vibrer des membranes pour créer du son),
  • Soit enregistrées analogiquement (les impulsions sont retranscrites en sillons de vinyles par exemple)
  • Soit enregistrées numériquement (c’est la partie qui va nous intéresser)

L’enregistrement numérique

L’enregistrement numérique consiste à transformer les ondes analogiques captées en suites de 0 et de 1.
Cela s’appelle l’échantillonnage,  à une certaine fréquence (dépendant du niveau de qualité que l’on recherche) mesurée en kHz (kilo Hertz) , on va mesurer l’intensité du son, et sa nature (le timbre, la hauteur etc..), ce qui va permettre d’assigner à chaque instant de musique, la valeur du son. Cette valeur est décrite numériquement sur un certain nombre de bits (plus les bits sont élevés, plus le signal est décrit précisément).

Signal_Sampling

  • En vert le signal analogique
  • En points bleu les échantillons
  • T: Fréquence (période à laquelle un test est fait sur la valeur du signal sonore)
  • Chaque point bleu est une valeur codée sur un certain nombre de bits. plus on la code sur beaucoup de bits, plus elle peut prendre de valeurs différentes, et donc être précise.

A titre d’exemple, la qualité CD, la référence d’une bonne qualité de son (sans pour autant être réellement haute définition), est caractérisée par une fréquence de 44.1KHz et codée sur 16 bits.

Très basiquement, plus les kHz sont élevés, plus le spectre du son sera large (Graves et Aigus), et plus les bits sont élevés, et plus le son sera bien défini.

Cela va donner un fichier « brut » non compressé et assez lourd, du son enregistré. Plusieurs formats de fichiers comme ceux-là existent, mais sont très rarement utilisés de par leur poids et la faible proportion de lecteurs à pouvoir les lire. Mais vous pouvez utiliser ces données pour les graver sur un CD, au format .Wav souvent.

L’encodage

L’encodage de la musique a plusieurs buts:

  • Harmoniser les informations pour assurer la lecture sur de multiples périphériques (lecteurs audio, Ordinateur, téléphone).
  • Si compression il y a, économiser l’espace de stockage et permettre la miniaturisation.

Il y a 3 types d’encodage:

  • Sans compression : dans ce cas, on applique juste une organisation particulière aux données précédemment échantillonnées.
  • Compressé sans Pertes (LossLess) : on compresse les données en gardant toujours la possibilité de revenir au fichier origine.
  • Compressé avec pertes (Lossy) : Les données sont beaucoup plus compressées, et l’algorithme de compression va supprimer les informations jugées inutiles, plus ou moins suivant la qualité demandée.

L’encodage Non compressé:

L’encodage non compressé n’est en fait qu’une façon de mettre en ordre les données audio de manière à être lues de la même manière sur n’importe quel lecteur.

Les fichiers créés avec un encodeur non compresseur peuvent avoir plusieurs formats selon la méthode utilisée, ainsi que l’environnement (PC, Mac, Linux).

WavLe format WAV est le plus utilisé sous Windows, le AIFF sous Apple et le OGG dans le monde du libre. Il existe d’autres formats plutôt professionnels, ou à la marge en terme d’utilisation, comme le RIFF, le BWF et le CAFF (apple)

Lisible Avec :

Il n’y a quasiment que les lecteurs audio haute fidélité qui permettent de lire ce genre de fichiers,  il faut prévoir une grosse mémoire.

On peux citer par exemple les FIIOs X3 et X5, ainsi que par exemple le AUNE M1 qui est même dédié uniquement a la lecture de wav

Fiio X3-II

Le Fiio X3 seconde génération

Aune M1

Le Aune M1, entièrement dédié à la lecture des .wav

L’encodage avec compression sans pertes (LossLess):

Pour ce qui est de la partie encodage, le principe est le même:

Décrire les données numériques d’une manière standardisée pour permettre la lecture harmonieuse par tous les lecteurs.
Ce que les encodeurs compresseurs vont faire ici, c’est de diminuer la taille des fichiers en repérant les redondances, qui vont être supprimées des informations du fichier.
L’avantage de cette méthode, est de pouvoir à tout moment, retrouver le signal complet d’origine en faisant l’opération inverse.
(C’est d’ailleurs pour ça que l’on appelle les informations (librairie) de codage des  CODECs, car cela permet l’enCOdage et le DECodage du fichier).
Ces formats permettent de gagner entre 30 et 70% de taille par rapport à un fichier .wav

Il y a trois grand formats dans la compression sans pertes:

  • Le FLAC (Free Lossless Audio Codec) est un codec libre, maintenu par la Flacfondation Xiph.org, qui maintient également les formats ogg et vorbis. C’est le codec le plus répandu, il est efficace et lisible par beaucoup de matériels.
  • Le ALAC, (Apple Lossless Audio Codec) l’équivalent sans pertes de la part alacd’Apple, il est assez peu rependu car lisible quasiment uniquement par les appareil Apple, qui sont assez rares dans le monde de l’audio haut de gamme.
  • le APE (je n’ai pas trouvé l’acronyme) de monkey’s Audio est un codec de monkey's audiocompression sans pertes très performant en compression (Gain de place) mais assez lent à décompresser, et très peu compatible avec les lecteurs audios. Il est plutôt confiné au stockage qu’à la lecture donc.

Ces formats permettent tous un retour arrière facile et une qualité au minimum de celle du CD, en pouvant souvent aller plus haut (son High Fidelity, et directement fichiers sortis de table de mixage (Studio Masters)), car ils permettent des taux échantillonnages supérieurs.

Par exemple, le FLAC 16 bits est un fichier de qualité maximum qualité CD (pour rappel: 44.1KHz et codé sur 16 bits.) mais le FLAC permet d’aller beaucoup plus haut car il permet une qualité allant jusqu’à  32 bits (vous trouverez cependant rarement plus que 24 bits) et une fréquence allant jusqu’à 192 kHz (également très rare).

C’est ce type de compression qui est plébiscité par les audiophiles car il permet une reproduction exacte du signal d’origine, tout en permettant une économie d’espace de 30 à 70% selon les fichiers.

Lisible avec : De plus en plus de lecteurs prennent en charge le FLAC, la différence de qualité se fera sentir sur la qualité du DAC (le Digital Analog Converter, qui se charge de changer un signal numérique en analogique ou inversement, et dont dépend donc la qualité de la sortie).

Mais on peux citer le tout petit Sansa Clip +, les lecteurs de marque Fiio (ou tous les lecteur audios HD), ou du côté Apple pour lire les alac. À peu près tous les ipods et iphones. De nombreux téléphones lisent également les FLAC (Android version 3.1 ou plus).

Sansa_clip_plus_8gb_black

Le Sanasa Clip +, mini prix, taille, mais très bon son.

Fiio X3-II

L’encodage avec compression avec pertes (Lossy): 

Là, on rentre dans un domaine que tout le monde connait (si vous êtes de ma génération pas d’excuse, et si vous avez moins de 60 ans, ça va être dur de dire que vous étiez pas au courant). On parle d’un monde qui à été créé non pas par la recherche d’un son parfait, mais créé par prise en compte de deux problèmes majeurs: Le stockage très limité dans les années 90-2000 et les débits très limités des connexions de l’époque.

Pour permettre la diffusion, l’écoute et le stockage de la musique dans ces conditions, un format de données s’est imposé comme maître quasi-absolu: le MP3. Ce format, créé par le Mpeg groupe, en Europe, et basé sur des technologies de Apple et Phillips notamment.

Il est tellement répandu à cette époque, notamment grâce, ou à cause, de l’expansion des téléchargements illégaux (avec Napster notamment), que on ne dit plus tu as des musiques à me passer, mais fait voir tes MP3, ni un lecteur audio, un lecteur Mp3. Le mot est vraiment devenu très commun.

Le principe de tous les algorithmes de compression avec perte est en deux phases. En premier lieu, l’algorithme définit et supprime les informations jugées non pertinentes. Ensuite, il compresse les informations restantes. Cela crée un fichier audible, mais qui a perdu plus ou moins d’informations par rapport à la source d’origine.

La qualité d’un Mp3, ou d’un fichier lossy en général, est exprimée en kBps (kilobit par secondes), qui détermine combien « pèse » une seconde de son. On estime que la qualité est acceptable a partir de 128kBps, ce qui est pourtant une qualité assez mauvaise. Mais qui a l’avantage de stoker une chanson de 3 minutes en moins de 3Mo. contre plus de 30 pour un FLAC qualité CD

Différents codecs existent bien entendu pour l’encodage audio avec pertes.

J’ai cité le MP3, le plus répandu, mais il existe aussi l’AAC chez APPLE, l’OGG chez Xiph, Le mp3Pro et le WMA, toutes un peu en marge du mastodonte Mp3.

LA qualité du MP3 va jusqu’à 320 Kbps, qui est honnêtement plutôt bon, mais toujours impossible de revenir à la source avec un algorithme destructif comme celui-ci.

Pour exemple de ce que la compression en Mp3 fait, les tests originaux ont étés fait sur la chanson Tom’s Dinner de Suzane vega, comme une preuve que le mp3 supprimait effectivement des passages non essentiels de la musique.

Ci dessous vous trouverez la musique originale, ainsi que un fichier regroupant toutes les parties du son que la compression en Mp3 supprime. Assez effrayant quand on se rend compte que certains bouts de paroles sont supprimés par l’algorithme. On comprend mieux l’impossibilité du retour arrière.

La chanson originale (mettez là en bonne qualité, sinon le son est également compressé par youtube hein).

et voici tout ce qui à été supprimé lors de la compression en mp3 (idem pour le clip mais avec le codec Mp4).

Lisible avec : quasiment tout ce qui à un haut parleur et une mémoire numérique peux lire le mp3. La liste serait trop longue à faire. Mais tous les baladeurs, téléphones, ordinateurs de moins de 25 ans peuvent faire ça. ^^

lecteurmp3-2

Oh le vilain plagiat d’Ipod Nano

lecteurmp3

Je suis sûr que la majorité d’entre vous en ont eu un de ce type « clé USB »

 

 

 

 

 

 

MP3-1

pratique pour le charger partout.

Et voila, nous avons fait le tour des encodages audio (en tout cas, la présentation).

N’hésitez pas à me dire si ce thème, ou ce genre de thèmes vous intéresse, que je vous en reparle, plus en détails.

Pour lire l’article de Sam sur le Vinyle, le support analogique par excellence, cliquez ici !

Musicalement vôtre

Marc Pour BackToTheClassics

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Marc

Admin et auteur chez BackToTheClassics
Créateur et Auteur de BackToTheClassics.com,
Je suis à la recherche de choses a faire avec mes mains, amateur d'informatique, de musique, de bricolage, de cuisine et de bidouillages en tout genre.
J'aime beaucoup les lames (couteaux, rasoirs) et je m’intéresse beaucoup à la manière dont sont faites les choses (préparations, artisanat...).

Sinon professionnellement je suis consultant fonctionnel en Systèmes d'informations, et accessoirement, je suis guitariste, chanteur, et amateur de soirées entre amis.
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  1. victor.patureau@free.fr'

    Patureau

    Super article, clair et précis, bien illustré – j’ai appris plein de trucs.
    A quand un article sur les lecteurs lossless,

  2. jerome_bertin@me.com'

    Super article ! et sur la vidéo?

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