L’intégrateur
de densité spectrale
(IDS) et ses
applications
Emile Leipp
GAM
(Groupe d’Acoustique Musicale) 94 – 19 décembre 1977
Université Paris VI, Jussieu, Tour 66, 5° étage, 75230, PARIS CEDEX 05
Le Pr Leipp a conçu et présenté, il y a plus de 30 ans, son I.D.S.
Cet appareil d’une très grande valeur scientifique, artistique et pratique
reste à découvrir !
I.
Généralités
Les problèmes de la « sonorité » des
instruments de musique ont été mon principal souci pendant de très longues
années. A l'époque, je m'intéressais au jeu du violon, à la fabrication de
l'instrument et de ses cordes, aux concours de sonorité de violons. je faisais
aussi de la recherche acoustique à titre privé pour un groupe de fabricants
d'instruments de musique (AFIMA : Association de Fabricants d'Instruments de
Musique et d'Accessoires) : il s'agissait de pianos, de clarinettes, de
saxophones, d'anches d'instruments; d'accordéon, etc... Je faisais alors des
tentatives. pour comprendre ce que signifiaient les mots " qualité sonore",
" sonorité ": mes essais subjectifs personnels, les avis des usagers
des instruments, la versatilité apparente des musiciens lecture des compte- rendus
de concours de sonorité de violons organisés à Paris entre les deux dernières
guerres (bib.1), tout me laissait perplexe, désarmé, désorienté. La notion de
" sonorité " semblait insaisissable; et tout semblait paradoxal. En
1952 je publiais une plaquette résumant mes conclusions, intitulée : " la
sonorité du violon : étude des facteurs conditionnant la sonorité des
instruments du quatuor ".
Le dernier chapitre traitait précisément des
Concours de sonorité et le dernier paragraphe portait comme sous - titre
: " Machine à analyser la sonorité " : il est amusant d'en extraire
quelques lignes :
" Les
possibilités actuelles de la science permettent d'imaginer une machine destinée
à remplacer le jury (des concours de sonorité). Ce serait fort commode, mais la
réalisation matérielle serait certainement très délicate et complexe. Il
faudrait enregistrer le résultat sonore sous forme de courbes et de chiffres;
mais la difficulté résiderait surtout dans l'interprétation des résultats
graphiques. De longues et délicates études préalables seraient nécessaires et
on peut se demander qui s'intéresserait assez à cette .question pour engager
les capitaux nécessaires dans une affair dont le rendement commercial serait
pour le moins douteux. La machine est certainement réalisable, mais elle mécontenterait
tout le monde, car elle serait surtout une machine à détruire les illusions " (je
pensais surtout à l'affaire Stradivarius !...)".
Il y a de cela un quart de siècle; et c'était
l'époque où j'ai eu la chance de
Notre premier souci fut de chercher à mettre au point la " fiche caractéristique d'un instrument de musique ", et j'ai publié mes résultats en l959 et1962, en particulier (bib.3). L'idée de départ était d'utiliser pour définir la qualité d'un instrument, les moyens électro- acoustiques de l’époque, ceux qui peanettaient de tester la qualité d'un haut- parleur en relevant sa courbe de réponse, son " traînage " etc...
Mais dès le début, nous avons buté sur un
obstacle de taille ! Les tests de haut - parleurs ou de baffles se faisaient en
excitant la Membrane par des procédés électro - mécaniques ou électro- magnétiques,
à l'aide de sons sinusoïdaux de fréquence variable que l'on savait alors,
produire bien stables, bien reproductibles: car sans reproductibilité
rigoureuse, impossible de formuler des lois, d'étudier la physique d'une source
sonore. Or, le violon est excité par un spectre complexe, celui de la corde
isolée; et dans le jeu normal de l'instrument, le musicien est incapable de
refaire strictement la même chose deux fois de suite... Il faut donc
absolument éliminer le musicien sinon toute reproductibilité est totalement exclue. Ainsi fut fait, et
je réalisai un " archet automatique " piloté par un petit moteur, où la
vitesse de défilement de la mêche, la force et l'angle d'appui sur la corde
étaient réglables et parfaitement reproductibles. On devait donc pouvoir
étudier la violon dès lors comme on étudiait un haut- parleur ....
On aurait bien entendu pu exciter le violon,
comme certains chercheurs l’avaient d'ailleurs fait, à l'aide de systèmes électro - acoustiques en
utilisant des sons sinusoïdaux. Les résultats obtenus ainsi s'avérèrent, hélas,
peu réalistes et ininterprétables : on ne réussissait guère à définir la
qualité d'un violon de cette manière, c'est pourquoi nous avions abandonné
cette idée au profit de l’archet automatique. Mais après une décennie de
recherches, notre " fiche caractéristique " n’était guère plus
convaincante !
Cependant un élément nouveau était apparu entre
temps: c'est le sonagraphe qui venait d’apparaître en France. Je pensais
enfin tenir la "machine à détruire les illusions " que
j'attendais depuis si longtemps. J' ai dès lors utilisé systématiquement le
sonagraphe qui fut pour moi l'outil de base pour préparer ma thèse (bib. 3d).
Lorsque Mr le Pr Siestrunck me proposa de créer le laboratoire d’acostique
dans le cadre de son Département de Mécanique de la Faculté des Sciences de
Paris, mon premier souci fut d'acquérir un sonagraphe. Et depuis cette époque
(1962), cet appareil est resté l'outil de base pour étudier les messages acoustiques.
Le véritable intérêt du sonagramme réside dans le fait qu' il fournit des
diagrammes fréquence – temps – intensité qui sont raccordables avec la sensation
produite par un son complexe évolutif, réalisé dans les conditions normales
d'emploi d'une source. En fait, il nous renseigne sur la forme des sons dans
leur contexte immédiat (quelques secondes). Mais au fur et à mesure de l'avancement
de mes recherches il s'avérait que cet aspect d'ordre proche des messages
sonores n'expliquait pas tout dans le domaine de la perception des messages
sonores. Je me suis longuement expliqué sur ces questions ailleurs (bib.4).
Les
Quand nous écoutons une longue séquence de musique,
quand nous comparons deux
Pour saisir cette information esthétique, cette
" coloration statistique particulière d'un message acoustique, notre
système auditif exploite nécessairement les mémoires à long terme et réalise
certainement des opérations mentales particulières, relevant de mécanismes
intégratifs qui ont lieu dans notre cerveau.
Pour tenter de connaitre ces mécanismes, j'ai
commencé par consulter les écrits des spécialistes de la psycho - acoustique.
En f'ait je n’ai trouvé aucune résponse satisfaisante.
Je me suis alors souvenu des conseils de MOLES:
le plus prégnant, lorsqu'on est dans
Le premier prétexte d'utilisation de la méthode
que j'élaborai alors fut de nature musicologique: Voici les faits.
Avec Tran Van Khe, nous avions fait de nombreuses recherches sur
les musiques
En fait, et on le vérifie à la simple
observation visuelle, telle chanteuse au tel joueur de rebab ou de saranghi
cerne quand même statistiquement quelques régions fréquentielles
préférentielles, que l'on peut assimiler à des " échelons de gammes
". Mais les " notes " de ces gammes n'ont qu'une signification
statistique : le musicien, en fait, ne joue jamais exactement la même hauteur
pour une même " note ". J'ai alors eu l'idée fort simple de recopier
la ligne mélodique (d'une berceuse vietnamienne, dans l'exemple de la figure
1a) sur du papier quadrillé, millimétré. Ensuite, j'ai tout simplement
additionné, sur chaque ligne millimétrée horizontale, les points d'intersection
avec la ligne mélodique. En reportent le total des points de chaque ligne sur
un diagramme séparé (petit diagramme en bas, à droite de la figure 1a), on
obtenait une courbe de " taux d'occurence " de chaque fréquence, d'où
émergeaient des " bosses à allure gaussienne, dont les sommets représentent
en fait les " notes " de la gamme que cerne le musicien (voir figure
1a). On peut bien entendu faire toutes les opérations (fastidieuses...) avec
l'aide d'un ordinateur, ce que nous avons effectivement fait (fig. 1 b -
Bib. 7a). Mais au lieu de ne considérer que la fondamentale d'un_sonagramme de
chant ou de musique, il suffit de prendre un sonagramme complet comportant les
sons et tous leurs harmoniques ou partiels. On obtient alors, en procédant
comme précédemment, la courbe de densité spectrale d'une séquence de musique
indiquant la répartition statistique de l'énergie dans cette séquence.
L'idée de base était trouvée : il suffisait de
la développer, de concevoir et réaliser les moyens matériels pratiques pour
faire ces relevés de densité spectrale. C'est à quoi nous nous sommes employés
avec M. Sole et M. Sapaly dans le cadre de l'E.R.A.
537 du C.N.R.S.
Voici comment se sont développées mes
recherches personnelles sur ce point :
II. Recherche d'une méthode et d'un
appareillage pour simuler la sensation auditive d'ordre lointain.
1 °) Considérations générales : lumière
et sons
Le problème de l'association des sons et des
couleurs n'est pas nouveau, et nous avons abordé cette affaire récemment, lors
du GAM sur " l'audition colorée " (COMBASTET, Juin 1975).
Le " clavecin à couleurs " fut
inventé voici deux siècles, et nous avons eu souvent l'occasion de parler de
tout cela avec des musiciens. M. An Petiot nous avait communiqué ses réflexions
voici 15 ans, contenues dans un petit opuscule qu'il avait écrit sur le thème :
" Sons et Couleurs : Trichromie harmonique des fonctions tonales ".
De son côté, Messiaen était passé à notre laboratoire et tout le monde sait
qu'il s'intéresse à ces questions. Mais il convient de préciser ici que la
préoccupation des musiciens reste difficile à cerner clairement. La raison en
est simple... Il est bien aisé de préciser par des mots les sensations qu'on
éprouve, surtout lorsqu'il s'agit "de goûts et de couleurs..." Les
vocables utilisés en un domaine sensoriel sont déduits d'analogies avec
d'autres sens : ce violon est "clair", ce basson est
"sombre" etc... En fait, le problème reste entier, et on continue à
poser des questions si on veut savoir ce que recouvrent exactement des vocables
comme" éthos des tonalités " chers aux musiciens,
"coloration" d'un instrument, d'un baffle etc…
Bref, tout cela reste bien " subjectif "
et insaisissable ! La seule méthode d'objectivation rationnelle de la couleur
des sons reste celle de Combastet, qui a conçu et construit un appareillage
comportant une série de filtres et un écran de télévision couleur. Lors de
l'écoute d'une musique donnée, chaque son est transformé en une couleur unique
résultant de la combinatoire des couleurs élémentaires attribuées à chacune
des bandes spectrales élémentaires. L'écran" couleur " est intéressant
à observer; mais après une écoute de quelques minutes, ou même de quelque
secondes, il est impossible de se rappeler la suite des " papillottements
" colorés que l'on a vécus, d'en faire une synthèse. Pour l'écoute d'ordre
proche, instantanée, de sons relativement stables, le système est parfait;
mais un son normal de message sonore est, par définition, un être évolutif
(sinon il ne peut- véhiculer
Visiblement ce qui manquait à l'appareil de
visualisation colorée de la musique de Combastet, c'était la fonction
d'intégration à long terme …
Il fallait donc repenser la question autrement,
et voilà comment je m'y suis pris :
L'idée de départ était de chercher d'abord s'il
existait un parallèle entre la vision colorée et l'audition colorée d’ordre
lointain. Pour cela rappelons la vieille expérience de Newton. Tout le monde
connait l'expérience du disque d’éléments colorés juxtaposés, qui montre que
la couleur blanche est la somme d'un certain nombre de couleurs élémentaires.
On vérifie aisément par ce procédé que si l'on enlève une des couleurs élémentaires,
la lumière blanche devient alors une lumière colorée. Les idées de Newton
sont intéressantes mais un peu simplistes. D'autres chercheurs ont montré
que les choses étaient en fait beaucoup plus compliquées dès que l'on passait
à la réalité visuelle, lorsqu'il s'agit par exemple de peinture d'art (Lapicque
bib.5) - qui a le mérite d'être à la fois physicien de la couleur et artiste
peintre...).
De toutes façons il est bien évident que le découpage
de la lurniàre en 8 bancs
Tentons à présent un parallèle entre ces bandes
colorées et d'éventuelles "bandes sensibles" sonores ! Par avance,
nous savons donc que, dans la domaine de la lumière, le nombre de bandes ainsi
que leurs "fréquences limites" sont parfaitement arbitraires.
Cependant l'expérience montre que ces notions sont assez généralement admises
pas les usagers et les praticiens de la couleur. S'agit-il uniquement d'un
problème de conditionnement c'est- à- dire d'apprentissage des
couleurs élémentaires dès l'enfance, ou est- ce parce que le nature
fournit, aux peintres des matières colorantes utilisables correspondant aux 8
couleurs primaires ? je ne saurais le dire ! Mais il est probable aussi que le
système visuel humain n'est en fait capable de saisir et de traiter qu’une
combinatoire de huit éléments au maximum !
Si on découpait la gamme des couleurs visibles en 3 bandes seulement, ce serait
certainement insuffisant pour expliquer toutes les sensations colorées que nous
éprouvons. On peut bien peindre un tableau avec trois couleurs, mais il
manquera quelque chose à la palette du peintre! D'autre part, si on donne au
peintre 30 couleurs différentes, celà ajoutera- t- il quelque chose
de perceptible à ce qu'il ferait avec huit couleurs ? Personnellement je suis
assez tenté de croire que ce découpage en 8 bandes est optimal pour la majorité
des personnes.. lorsqu'il s'agit de tableaux ou de photographies en couleurs
(quoiqu'il existe toujours, dans les domaines sensibles, des sujets surdoués ou
sous doués.
Alors pourquoi ne pas poser l'hypothèse que toutes
les informations que nous captons, de quelque nature qu’elles soient, sont
traitées par le même"ordinateur central »; ce qui dïfférencie nos
sens n'étant que les types de capteurs (sensibles simplement à des longueurs
d'ondes différentes). Alors pourquoi ne pas choisir aussi 8 bandes sensibles
dans la gamme des sons perçus ?
Reste à déterminer les fréquences- limites
qu’il convient d'adopter pour étudier la coloraiion des messages sonores !
C'est pour répondre à ces questions, et pour
justifier les fréquences- limites de la figure 1 que j'ai entrepris toute
une série d'expérimentations que je vais relater brièvement :
2°) Expériences pour déterminer le
nombre et les fréquences limites des
bandes sensibles
J'appelle donc " bandes sensibles "
les bandes dont le nombre et la délimitation fréquentielle sont nécessaires et
suffisants pour permettre de comprendre, à travers leur combinatoire, la
sensation de coloration telle que les praticiens des messages sonores
l'éprouvent et nous la décrivent..
D'avance, nous savons qu'il est oiseux de
rechercher en ce domaine toute précision rigoureuse : l'important est de
définir (et de s' y tenir !) un système de découpage qui nous permettra de
réaliser un appareillage fixe, dont les diagrammes confirmeront la très grande
partie des jugements subjectifs des praticiens du son.
Cette tentative de découpage en bandes
significatives n'est pas nouvelle. Plusieurs auteurs (dont Zwicker), partant de
considérations neurologiques plus ou moins hypothétiques, ont déjà tenté de
définir des " bandes critiques !', en particulier dans certains domaines
de l'acoustique (celui du bruit par exemple). Après de longues années
d'existence, ces " bandes critiques " n'ont guère été adoptées... On
ne peut s'en étonner outre mesure. En tous domaines, si on part de
considérations hypothétiques, théoriques, on est à peu près sûr, d'aboutir à
des abstractions, très satisfaisantes pour l'esprit, mais nécessairement
irréalistes dès qu'on veut passer à la réalité. C'est particulièrement vérifié
dan les domaines où l'homme est en cause
Ces considérations m'ont en tout cas conduit à
adopter un impératif absolu dans toutes mes recherches : celui d'écarter tout
ce qui n'est pas exclusivement expérimental. Je pense qu'il faut rejeter ici
tout ce qui n'est pas la réalité des messages sonores tels qu'ils sont diffusés
et captés dans les conditions normales d’emploi. Je rejette pour cela les
artefacts sonores : pour mon expérimentation je ne veux employer que de la
musique ou de la parole réelle, normale. De plus, je ne sollicite que des
sujets dont j'ai au préalable testé l’oreille (audiogramme normal, fréquence de
coupure aiguë et pouvoir séparateur temporel), et qui sont longuement entrainés
à l'écoute des évènements sonores (musiciens en particulier). Ces sujets, je
les trouve parmi les étudiants de mon cours d'acoustique, parmi des musiciens,
des mélomanes qui fréquentent mon laboratoire, etc... Ces conditions étant bien
définies au départ, voici comment j'ai débuté mes investigations.
Je choisissais une oeuvre cornplète ou longue
séquence de musique normale, soigneusement sélectionnée. Par exempl, je prenais
une oeuvre d'orchestre classique bien fourni, où tous les timbres et tous les
types de sons existent statistiquement lors de l'exécution de l'oeuvre.
Certaine compositeurs, en particulier ceux de l'époque romantique et du début
de ce siècle, ont composé des oeuvres de ce genre en grand nombre. Lorsqu'on
analyse leurs partitions, et lorsqu’on écoute attentivement leurs oeuvres, on
ne peut manquer d'observer qu'ils exploitent en fait toutes les possibilités du
système auditif humain pour lui convoyer dans le temps minimal le maximum
d'information possible. A la fin du "Sacre", toutes les capacités de notre système
auditif ont été mises à contribution, toutes les régions fréquentielles ont été
exploitées. D'autres compositeurs étaient extraordinairement doués de ce point
de vue ; il suffit d'être musicien et d'étudier leurs partitions
orchestrales. Prenons Richard Strauss, parmi d'autres ... Pour la
démonstration; enregistrons sur bande la " Grande Valse " du
Chevalier à la Rose !
Ecoutons d'abord normalement cette pièce sur
une bonne chaîne de haute fidélité. Pour peu que nous soyons un auditeur
attentif et antraîné, nous aurons une idée claire de la " coloration
orchestrale " à la fin de l'écoute. Si nous écoutons ensuite une séquence
de la Mer de Debussy,
nous ressentirons avec évidence que cette sersation de coloration globale est
bien différente... Mais revenons à la " Grande Valse ". Nous
voudrions à présent savoir quelle est la signification et l'importance de telle
bande de fréquence dans la sensation globale de coloration que nous avons
éprouvée. Pour cela, nous partirons de considérations naguère élaborées par
certaine psychologues de la forme : les gestaltistes. Ceux- ci nous ont
appris d'abord qu'un tout n'était pas égal perceptivement à la somme de ses
parties, et que pour comprendre le rôle d'une partie, il ne fallait pas
l'isoler d'un tout et l'étudier séparément. Il fallait supprimer cette partie
dans le tout et étudier ce que ce "tout" devient perceptivement
lorsqu'il est privé de la partie à étudier.
En fait, l'expérience est facile à réaliser
avec un filtre de réjection. Remettons la " Grande Valse ", et
réglons le filtre de réjection de manière à couper de temps à autre lors de
l'audition, une bande allant par exemple de 1000 à 1500 Hz.
L'oreille perçoit nettement une différence de
" coloration". Réduisons la bande 1000 et 1200 Hz. Si la coloration
auditive ne change pas lorsqu'on rejette cette dernière bande, c'est que
la"bande sensible" est plus large dans cette région que la bande 1000- 1200
Hz. Par tâtonnements successifs on réussit donc à déterminer expérimentalement
les bandes sensibles du domaine sonore auditif. Les impressions personnelles
doivent nécessairement être confirmées par des tests statistiques. C'est
pourquoi j'ai fait toute une série d'expériences, mettant à contribution mes
étudiants ou d’autres personnes qui s'y prêtaient. J'ai commncé par découper
l’aire audible en trois grandes bandes : grave, médium et aigu (voir figure
hors texte). Mais l’expérience a rapidement montré que le découpage était trop
grossier pour que les résultats de tests puissent être mis en parallèle avec
les sensations colorées.
J'ai ensuite fait des essais en
"rejetant", successivement 5 bandes, puis 7, 8, 11, 13, 15 bandes.
Petit à petit il s'avéra que trois bandes étaient insuffisantes; mais d'autre
part 15 bandes étaient inutiles et je me suis finalement arrêté à 8 bandes
sensibles, Chose curieuse : ce nombre se raccorde avec le nombre de couleurs
élémentaires visuelles.
Ce point étant, tranché, il fallait déterminer
les limites fréquentielles des 8 bandes. Le procédé était simple. A un
auditoire de 30 sujets, par exemple, on fait écouter la Grande Valse (ou telle
autre oeuvre bien choisie). On procède alors systématiquement de la façon
suivante. On coupe de temps à autre, en cours d'audition la bande la plus grave,
en réglant le filtre de réjection entre 50 et 75 Hz par exemple. Si personne ne
réagit, on élargit cette bande, en passant par exemple de {50 à 100}, à {1 à
200 Hz}, jusqu'au moment où tous les sujets (à peu près) réagissent : " il
n'y plus de basses" ?.
Si la fréquence de coupure aigue était alors à
2013 Hz par exemple on appellera cette bande de 50 - 200 Hz la "bande des
basses.
Puis on recommence l'expérience en partant de
200 Hz, en réglant la réjection de 200 à 250 Hz. Si personne ne proteste, on
élargit la coupure de 200 à 300 Hz. Si, en arrivant à 400 Hz tout le monde
proteste : " il n’y a plus de graves ", "creux" etc ... ,
on' appellera la bande {200 - 400 Hz} la bande sensible des
"graves », et ainsi de suite.
Finalement on aboutit à un découpage en 8
bandes de toute la gamme des fréquences perçues !
Fait étrange, ce découpage n'a visiblement
aucun aspect rationnel. On passe successivement de 2 octaves (50 à 200 Hz) à
une octave (200- 400 Hz), puis encore une octave (400- 800 Hz) puis
une quinte (rapport 3/2) pour le médium. On retrouva encore une quinte pour le
médium aigu; ensuite une sixte pour l' aigu; une octave pour le suraigu, et
finalement une douzième pour la bande de stridence.
Cette anomalie de découpage fréquentiel n’est
qu'apparente. En effet, comme nous partons de la réalité sonore d'un message
conçu par l'homme pour le système auditif de l'homme, il ne peut y avoir aucune
systématique dans les bandes sensibles pour la bonne raison que l'oreille,
contrairement à ce que l'on pense et dit, n'est en réalité ni linéaire ni
logarithmique lorsqu'il s'agit de messages informationnels. Par contre, tout
le. monde sait que l'oreille est beaucoup plus sensible dans la région de 1000
à 2000 Hz; non seulement en fréquence, mais aussi en pouvoir séparateur
temporel. C'est bien pourquoi les praticiens des messages sonores destinés à
l'homme ont de tout temps exploité cette zone fréquentielle où il est possible
de communiquer à l'homme la maximum d'information dans le minimum de temps...
Bref, les irrégularités " aberrantes" des bandes sensibles,
déterminées expérimentalement, sont simplement signe tangible de l'inégalité de
capacité de saisie d'information de l'oreille dans les diverses régions
fréquentielles. Nous n'insisterons pas! Ceux que ces questions intéressent
trouveront d'autres détails dans l’une de nos publications récentes
(bib. ?) où il est montré que, finalement, tout cela se raccorde assez
bien avec les recherches de certains psycho - physiologistes de
l'audition (Bürke, Lichté, Kotowski,
Stevene et d'autres), et aussi avec le " savoir faire " des facteurs
d'instruments de musique traditionnels, des compositeurs et des exécutants,
qui, depuis toujours, et empiriquement, exploitent de façon optimale le système
auditif, lors de leurs prestations.
La suite des opérations vint de soi. Le filtre
électronique dont je disposais permet non seulement de rejeter telle ou telle
bande dans un " tout " musical, mais aussi de laisser passer
uniquement celle que l'on désire lorsqu' il est réglé en " passe- bande
". Reprenons alors notre échantillon musical et réglons le filtre de façon
à ne laisser passer que la première bande sensible (50 à 200 Hz). Allons auprès
d'un électronicien, et demandons lui de nous réaliser un intégrateur
électronique permettant de cumuler l'énergie contenue dans la bande de 50 à 200
Hz pendant tout la durée de l'échantillon musical. Aussitôt dit, aussitôt fait
: M. Sole me fabrique un tel intégrateur. Je n'avais plus qu'à relever la
quantité d'énergie contenue dans chaque bande après avoir réglé chaque fois le
filtre de façon adéquate (fig 2b). Finalement on porte les valeurs relevées sur
un diagramme où les bandes critiques sont en abscisse, et les quantités
d’énergie, en ordonnée.
Ces diagrammes sont hautement " parlants
": ils permettent des rapprochements tout à fait évidents avec la
sensation de " coloration " dont il a été question plus haut. Pour un
spécialiste HIFI, les mots : « pas de basses », trop d’aigus, pas de médiums, sonorité creuse, stridence
etc... prennent un sens tout à fait précis à la lumière de l'allure des
diagrammes. Nous tenons enfin la méthode tant désirée pour objectiver la "
balance sonore ", la " sonorité globale ", la " coloration
" chère aux praticiens du son.
Un petit ennui cependant !
Si on se propose de comparer les diagrammes de
deux sonorités ", de deux " colorations ", il faudrait
normaliser la quantité d'énergie contenue dans les séquences musicales
utilisées ! C'est là un problème qui semblait insoluble. La réponse est
pourtant facile. A la fin d'un relevé, il suffisait d’actionner les valeurs des
8 colonnes, puis de calculer la grandeur dans une colonne donnée en pourcentage
de l'énergie totale. Ce que j'ai fait. Et dès lors, tous les
diagrammes devinrent comparables entre eux, indépendamment
de la durée de l'enregistrement et de son intensité.
J'ai relevé de cette façon de très nombreux
diagrammes, dont l'intérêt commençait à devenir de plus en plus évident en de
nombreux domaines sonores. Mais comme il fallait repasser 8 fois chaque
échantillon sonore, cela s'avérait long et fastidieux. Par chance il existe au
Laboratoire de Mécanique Théorique et Expérimenta de St- CYR (Professeur
Siestrunck)un Département d'électronique (Professeur Sapaly, électronicien M.
Cotin), où, l'expérience l'a montré, je puis en confiance apporter le cahier de
charges d'un appareillage nouveau, si compliqué soit- il... Tout le monde
se rappelle de notre synthétiseur de parole (l’icophone) et da notre orgue
expérimental (le Cantor) - et d'autres choses encore ! Bref, la
question fut posée de construire un appareillage opérationnel qui permettrait
d'obtenir les diagrammes désirés en une seule lecture du document sonore, en
direct et en temps réel. Cet appareil existe désormais : c'est l'Intégrateur de
Densité Spectrale (IDS)
3°) L'intégrateur de densité spectrale
(i.d.s.)
Après tout ce qui précède, nous pourrons être
bref quant à sa description.
Voici le " tableau de bord " de l'appareil
(fig. 3a).
La séquence sonore peut être " entrée
" à loisir par microphone ou magnétophone. On dispose d'un réglage du gain
d'entrée avec contrôle de la saturation par diodes lumineuses (en haut, à
gauche). On peut régler l'appareil pour diverses sensibilités et relever ainsi
des événements sonores allant de quelques secondes à une heure si on le désire.
On commence par " effacer " éventuellement le schéma inscrit
auparavant en agissant sur le bouton " RAZ " (remise à zéro). Puis,
après réglage adéquat du gain et de la sensibilité, on " entre " la
séquence sonore à étudier. Au fur et à mesure du déroulement de l'évènement
sonore, on voit l'aiguille monter dans chaque bande plus ou moins vite, selon
la quantité d'énergie relative en présence dans chaque bande. A la fin de la
séquence (ou lorsque l'une des aiguilles arrive au voisinage de la mite supérieure dans une bande quelconque),
on agit sur le bouton affichant le pourcentage. Le problème est résolu : on a
immédiatement, en pourcentage, le diagramme de densité spectrale intégrée. On
relève alors sur papier à cadre prétracé les diagramme affiché : ce papier
étant du papier calque, on peut aisément, par simple superposition, comparer
des diagrammes de toutes sortes; la comparaison est significative puisque tout
est ramené à des pourcentages !
Il va sans dire que ces diagrammes sont
intéressants à observer de deux façons différentes
-
On peut
considérer leur allure globale, comparative éventuellement. Cette allure décrit
la " balance sonore " ....
-
Mais on
peut aussi chercher à comparer ce qu'on a perdu ou gagné dans l'une des bandes
sensibles, en passant par exemple d'un instrument de musique à l'autre. Il faut
évidemment calculer alors les pourcentages d'écart dans chaque bande. Un même
écart global donné (de 2 % par exemple dans la cas de la figure) peut être plus
ou moins important selon le " contenu " de la bande considérée. Un
écart global de 2 % correspond à 10 % dans la bande de 50 à 200 Hz, à 40 % dans
la bande de 1200 à 1800 Hz etc... Lors des comparaisons, le pourcentage à
l'intérieur d’une bande est déterminant.
Quoiqu'il en soit, les diagrammes comparatifs
superposés sont éloquents. La figure 3c en montre un exemple sur lequel nous
reviendrons plus loin (comparaison de trois violons).
A noter qu'il a été réalisé, pour cet appareil,
une sortie numérique. On a alors directement une suite de nombre imprimés,
donnant pour chaque colonne, le pourcentage considéré. Dans certains cas
(archives d'un rééducateur de parole par exemple) le relevé numérique
automatique est intéressant. Dans d’autres cas l'apparition grapho-visuelle du
diagramme peut présenter de gros avantages.
Autre point à signaler : pour des raisons de
recherche, on peut désirer modifier la sensibilité de telle ou telle bande
sensible. C’est possible ici : un bouton de réglage est prévu pour cela en
dessous de chaque bande. De même, on peut, en cas de besoin, modifier les
limites de coupure des bandes.
Bref, tel qu'il est, cet appareil est désormais
opérationnel, et je l'ai déjà utilisé pour de très nombreuses recherches où le
problèm de " sonorité ", de "coloration", de "balance
spectrale" de toutes sortes d'évènements sonores informationnels (parole,
musique, bruit, etc...) sont en cause. J'ai déjà donné ailleurs quelques résultats
(bib. 7a à 7h). Voici à présent un tour d'horizon général sur les problèmes que
j'ai traités.
III. - Quelques applications de
l'IDS
J'ai précisé plus haut que mes motivations de
chercheur, à l'origine, étaient essentiellement musicales et d'ordre pratique:
il s'agissait en particulier de mettre sur pied une méthode pour définir
objectivement la " qualité " d’un instrument de musique, c'est- à- dire,
en dernière analyse, sa " sonorité ",. sa " coloration ",
sa " balance spectrale ". Ces tentatives, je l'ai dit, se sont
soldées par un échec. Je disposais bien du sonagraphe pour visualiser les sons
musicaux dans leur contexte, pour étudier leur "forme" mais il
manquait précisément l'appareillage pour apprécier leur " couleur "
et jauger la " sonorité " globale. J' avais laissé en sommeil de très
nombreux problèmes; l' IDS permet de les reprendre à présent. Voici quelques
exemples précis et démonstratifs.
1°) Sonorité des instruments de musique.
L'IDS va nous aider à définir la "
coloration " particulière de tel ou tel violon par exemple. Prenons un
enregistrement d'une longue séquence musicale (Concerto de violon de Max
Bruch, qui exploite bien la totalité des possibilités d'un violon). Un virtuose
du violon (Blaise Calame) a joué sur trois violons le même passage (4 minutes)
dans les mêmes conditions de local (notre petit " salle sourde ").
Les instruments sont : un Stradivarius (le Mendelsohn, de Blaise Calame), un
violon de ma fabrication et un violon de Savart. Ce dernier est le fameux
violon trapézoïdal fabriqué par le physicien Savart, au sujet duquel nous avons
longuement parlé lors d'une précédente réunion du GAM sur ce thème (Bulletin
GAM N° ??, 1971 ) .
L’IDS nous donne trois diagrammes (f'ig 4 )
qu'il est tout à fait aisé de mettre en parallèle et de raccorder effectivement
avec la " sonorité " de chaque instrument.
A l'oreille, deux des trois violons ont une
similitude de coloration très nette le Stradivarius et le violon Leipp ont une
sonorité un peu plus " sombre ", moins " claire ". Le
diagramme IDS montre cela avec évidence : le violon Leipp est très nettement
plus intense dans les bandes suivantes : 400-800 ;_ 800- 1200 ;_1200-1800
c'est- à- dire dans les bandes du médium grave, du médium et du
médium aigu. Par contre le Stradivarius présente un gain considérable (presque
100 %) dans les bandes du suraigu et de la stridence. Comme une salle de
concert " ronge " habituellement de façon plus ou moins forte ces
deux régions suraiguës, il est évident que dans des conditions normales
d'emploi le violon de Stradivarius sera plus efficace que l’autre. De toutes
façons la sonorité des deux instruments est différente. On peut préférer l'un
ou l'autre selon l'oreille que l'on a, selon qu'on joue soi - même
l’instrument ou qu'on l'écoute à distance dans une salle de concert, etc...
Mais une chose est sûre : avec le diagramme IDS on dispose d`un document
objectif qui permet de chiffrer et de comparer les " sonorités "
comparatives entre instruments de musique ! ...
Observons encore le violon de Savart,_ à qui
tout le monde reproche une sonorité qui manque de "corps", qui est
"verte" (un terme utilisé par les violonistes pour désigner un
instrument déficient dans le médium et à prédominance trop marquée d'aigus et
de suraigus). Le diagramme du Savart confirme les avis subjectifs : déficience
portante dans le médium grave et le médium; " gonflement" énorme du
médium aigu et de l'aigu ...
Voilà donc des diagrammes "parlants",
où la qualité comparative des sonorités est facile à jauger, éventuellement à
mesurer en grandeurs physiques si cela présente un intérêt. On notera que dans
ces diagrammes les ordonnées représentent des amplitudes; mais on peut
facilement transformer ces amplitudes en énergie ou en niveaux ; dans tous
les cas, les allures comparatives des courbes resteront de toute façon identiques.
En résumé, les diagrammes IDS apportent bien le
complément d'information qui manquait à l'époque où je tentais la mise au point
d'une fiche caractéristique des violons...
Voici un autre exemple (fig. 5).
On sait qu'une sourdine de violon (par défini
"assourdit" le son, c'est à dire filtre plus ou moins l'aigu et le
suraigu). Selon le type de sourdine, cet assourdissement est variable, les
différences étant très nettement perceptibles à l'oreille. Prenons donc 5
sourdines de structure et de matériau très différents. Demandons ensuite au
violoniste de nous rejouer la pièce de musique choisie précédemment, d'abord
sans sourdine (trait plein, gros) puis avec les sourdines en cause. Les
diagrammes IDS comparatifs se passent pratiquement de commentaires. Les sourdines
filtrent bien différemment le timbre statistique du violon. Chacune donne sa
"couleur" propre à la musique et le musicien n'a plus qu'à choisir
celle qui lui plait le mieux, compte tenu de l'idéal esthétique de coloration,
qu'il recherche et de son oreille personnelle. Grâce à l'IDS, l'acousticien
comprendra le choix fait par le musicien et saura chiffrer les différences de
coloration.
Par ailleurs, l'IDS apporte une réponse dans
tous les domaines de la lutherie expérimentale et fournit un outil de contrôle
au fabriquant d'instruments qui désire savoir ce qu'il fait, contrôler sa
fabrication du point de vue de la coloration des instruments, et la comparer
avec celle des autres fabricants. La figure 6a donne l'exemple de deux pianos à
sonorité très différentes; l'une plus "sombre", l'autre
"claire", plus colorée. Ces diagrammes coupent court à toutes les
discussions sans fin qui se produisent continuellement entre auditeurs dont on
ne connaît ni l'oreille ni les habitudes auditives : ici on sait de quoi on
parle.
Prenons à présent un autre cas intéressant. Un
virtuose de clarinette vient d’inventer un perfectionnement important de
l'instrument. Il faut savoir si cette modification n'altère pas la
"sonorité de clarinette" à laquelle nous sommes habitués. Le musicien
vient au Laboratoire avec cinq instruments différents, dont celui qu'il a
modifié. Il joue deux pièces caractéristiques pour la clarinette (une lente et
un rapide : concerto en sol de Mozart et pièce de concours de Messager). En
relevant diagrammes IDS, on vérifie (Fig 6b) que les "sonorités" sont
extraordinairement similaires, la seule différence notable se situent dans la
bande de 3000- 6000 Hz.
On peut tirer de ces diagrammes d'intéressantes
conclusions!
Il est certain que dans ce type d'instruments,
et j'ai eu l'occasion pendant de longues années de l'expérimenter "à
l'oreille", c'est surtout le musicien, l'anche, le bec, c'est- à- dire
le système excitateur, qui déterminent la couleur du son. Je l’ai encore
vérifié tout récemment et aurai l'occasion d'en reparler lors de la réunion GAM
avec Marchi (en février1978). Mais ce qu'il était important de montrer, c'est
que, toutes choses étant égales (musicien, anche, bec, local) le clarinettiste
habile est capable de produire sur diverses clarinettes la même " sonorité
", à peu de chose près. En tout cas, grâce à l'IDS, Marchi a pu démontrer
que la modification qu'il a apportée à l'instrument ne change en rien sa
sonorité pour peu que l'on maîtrise la technique de jeu suffisamment.
Complétons ce rapide panorama des possibilités
de l'IDS dans le domaine instrumental par un autre exemple. Nous avons fait de
très nombreuses comparaisons de sonorités de guitares - dont nous avons
parlé tout récemment lors du GAM sur l'Acoustique de la guitare (N° 93; oct.
1977): La figure 6c compare deux guitares : une normale et une guitare
expérimentale de Friedrich. Chacun vérifiera quo la "sonorité" n'est
pas la même, et localisera les points où les deux instruments différent.
On pourrait multiplier les exemples : ceux- là
suffisent pour montrer tout l’intérêt de l'IDS dans l'appréciation objective de
la qualité de sonorité des instrument de musique, c'est- à- dire dans
le domaine de la fabrication ou de la comparaison des sonorités (concours de
sonorité !!).
2°) Coloration de la voix humaine.
Comme on va le voir, les diagrammes se passent
presque de commentaires. Regardons la figure 7, qui montre les diagrammes des
voix de 3 locuteurs récitant le même texte. Les différences sont mises en
évidence sans ambiguïté car la coloration diffère notablement entre un homme,
une femme et un enfant.
Voci un autre cas particulièrement intéressant
! La figure 8 représente les trois diagrammes IDS de la même personne, récitant
la même récitation. C'est d'abord le sujet lorsqu'il avait 7 ans (trait plein).
Il n’y a pas de "basses", peu de graves beaucoup de médium aigu,
d'aigu, de suraigu et de stridence. Ce sont là les caractéristiques bien
connues de la voix d’une petite fille à la voix assez " claire ".
Puis cette petite fille a grandi : à 21 ans elle récite la même récitation
(enregistrements faits avec magnétophone professionnel Nagra), les cavités
vocales se sont agrandies, les cordes vocales aussi. La couleur de la voix vire
au grave. On peut voir, dans chaque bande sensible, ce qui s'est passé :
gonflement énorme des basses et du grave, chute de tout ce qui est au dessus de
800 Hz. Les différences sont aussi énormes à l'oreille que sur le
diagramme !
Finalement j'ai demandé à cette même jeune personne de réciter
la même récitation mais en essayant au mieux de simuler la voix qu'elle avait
à 7 ans. Malgré tous ses efforts, elle n'y arrive bien entendu pas pleinement..,
Elle réussit bien à baisser un peu la tonalité dans la bande des basses; à
"remonter" les bandes situées au dessus de 800 Hz. Mais elle est
fort loin de pouvoir retrouver sa voix d'enfant, quels que soient ses efforts
! Comme on le voit; la coloration de la voix est donc aisée à objectiver avec
l'IDS, et il est certain qu’on tient là un moyen intéressant pour dépister
les simulateurs par exemple. Mais de ce point de vue, toute une étude reste
à faire, qui est en cours, pour chercher à définir dans quelle mesure un locuteur
est capable de changer la coloration da sa voix. Voici de ce point de vue
un exemple tout à fait intéressant.
Notre ami Tran Van Khe, musicien vietnamien (Directeur
de recherche au CNRS...
Voici enfin un autre exemple tout à fait
intéressant: Nous avons eu le plaisir d'être invités récemment par le Dr Freche
à assister à plusieurs opérations de cordes vocales avec rayon laser : une
technique nouvelle, révolutionnaire, que le Dr Freche vient de mettre au point.
Avant l'opération, les sujets étaient enregistrés (discours libre de quelques
minutes) par l'orthophoniste (Melle Levy Mangeol) chargée de la rééducation
ultérieure des opérés des cordes vocales. Les enregistrements étaient donc
faits avant l'opération, puis six jours après et un mois après en fin de
rééducation. On voit sur la figure 10 un exemple où l'on notera
l'extraordinaire amélioration de la voix après l'opération. Auparavant, cette
voix était franchement pathologique (voix sans basses, éraillée, criarde,
etc... ), toutes caractéristiques qui apparaissent clairement lorsqu'on compare
le diagramme en trait plein (avant opération) avec les deux autres diagrammes,
relevés après l'opération, où la voix a trouvé une couleur plus grave, moins
éraillée. L'IDS apporte donc un moyen puisant de contrôle des résultats après
opération, ainsi d'ailleurs qu'en cours de rééducation : partout où la
coloration de la voix est en cause, il est désormais possible d'objectiver ce
qui se passe.
3°) Haute Fidélité.
C'est le domaine où l'intérêt de l'IDS est peut
être le plus élevé et le plus immédiat. Je me suis longuement expliqué sur
cette question aux Journées d'étude du Festival International du Son de Paris,
en mars 1977 (bib.7d). Je me contenterai de rappeler ici quelques exemples.
Les spécialistes de la haute - fidélité
disputent depuis des décennies sur l'appréciation de la qualité sonore des
chaînes d'écoute ou des maillons qu'ils fabriquent. Ils parlent couramment de
la " coloration " particulière de telle ou telle enceinte, tel ou tel
haut - parleur. De nombreuses méthodes de tests ont été proposées, basées
sur la métrologie acoustique classique. La problème n'est visiblement pas
résolu et les spécialistes continuent à se disputer... Certains d'entre eux en
sont revenu purement et simplement aux tests subjectifs, où l'on demande à des
sujets de donner leur avis après audition d'un disque d'essai spécial sur
diverses chaînes.
Il est bien évident que la méthode des tests
subjectifs ne peut apportsr de réponse suffisante ici, surtout si on n'a pas
pris au préalable la précaution de relever l'audiogramme des sujets, la
fréquence de coupure aiguë de leur oreille, et le pouvoir séparateur temporel
de leur système auditif. De toutes façons, les discussions " subjectives
" seront éternelles, puisque " des goûts et des couleurs on ne peut
discuter ". L'IDS va nous apporter sa réponse!
Prenons un disque de musique quelconque,
d'orchestre de préférence. Relevons directement ce qui est gravé sur la disque
(Fig. 11a) en passant de la platine directement sur l'IDS (gros trait plein) :
ce sera la référence ultérieurement. Puis passons le même disque sur trois
chaînes de "fidélité" variable. L'une (b) " gonfle " un peu
trop les basses, que l'autre (c) "ronge" totalement... L'une gonfle
le suraigu (d) de la bande 3000-6000 Hz, etc... Bref, la comparaison de chaque
diagramme de chaîne avec la référence nous apporte la réponse tant désirée par
les spécialistes de HiFi. Voici bien la " balance sonore ", la "
coloration " clairement mises en évidence. En cas de besoin, l'IDS apporte
même un moyen de "mesurer" aussi la taux de " fidélité ".
Ce taux représente l'écart, dans chaque bande, entre la référence (ce qu'a
voulu le preneur de son...) et ce que rayonne la chaîne! Je n'insisterai pas :
un spécialiste vient de faire toute une série de recherches ici pour comparer
des baffles[1] en utilisent
l'IDS, qui représente l'appareil de choix pour définir la sonorité d'un baffle
(M. Carfantan, qui communiquera ses résultats au Festival du Son, en Mars
1978).
Autre exemple : la figure 11b objective
l'efficacité des filtres passe- haut et passe- bas d'un amplificateur
de chaîne. Le diagramme IDS matérialise le champ de liberté de correction de la
tonalité de la chaîne ! Cette figure se passe de commentaire.
4°) Problème de la directionnalité d'une
source sonore.
De nombreux spécialistes de l'acoustique
musicale se sont penchés sur la directionnalité des instruments de musique,
dont les effets sont importants lorsqu'un instrumentiste joue devant un public
dans un local d'écoute. Nous avons déjà organisé une réunion sur ce thème de
directivité des instruments avec Jurgen Meyer (voir bib. 8). En fait, le
problème de la
directionnalité n'est pas résolu, car les moyens
métrologiques et les méthodes mis en œuvre
Lorsqu'un violoniste ou un autre instrumentiste
fait une prestation dans des conditions normales, l'important est de savoir,
quelle quantité d'énergie est rayonnée statistiquement par son instrument dans
les diverses directions. Pour le savoir, prenons l'IDS et opérons de la façon
suivante :
Le musicien s'installe dans une chambre
silencieuse (de préférence à la chambre sourde où il ne "s'entend plus
jouer") et exécute une piéce caractéristique pour son instrument. On
dispose 5 microphones autour du musicien (devant, à droite, à gauche. au dessus
et en arrière du joueur), et on fait donc cinq enregistrements simultanés. Il
suffit alors de relever le diagramme IDS pour chaque enregistrement (fig.12).
Le dépouillement visuel va de soi et, nous n'avons plus besoin d'insister sur
ce point, les différences perçues de "sonorité" dans les diverses
directions sont totalement corroborées par les diagrammes IDS. Dans le cas
présent (Stradivarius joué par Blaise Calame) on notera en particulier que
l’instrument "sonne" très différemment selon la direction où se
trouve l'auditeur. C'est évident à priori; mais ici on a une preuve tangible,
mesurable le cas échéant.
Nous avons fait de nombreux autres relevés
similaires avec d'autres instruments même avec des baffles, dont la
directionnalité est ainsi définie de façon réaliste. Ainsi, la Figure 13 donne
les résultats obtenus avec un clarinettiste; on ne peut que répéter ce qui a
été dit pour le violon : l'IDS fournit l'outil d'étude qui manquait. Vérifions
le encore pour la parole.
La directionnalité de l'appareil phonatoire est
aisée à préciser : la figure 14 en donne un exemple. Le locuteur est Mr.
Leipp. On notera en particulier la chute de l'aigu, du suraigu et de la
stridence lorsqu'on est placé en arrière du locuteur, ainsi que le
"gonflement " corrélatif de la balance vers le grave et les basses[2].
Voici pour finir encore un exemple {Fig. 15 ).
On a diffusé des séquences d'orchestre et d'autres musiques avec un baffle
donné, dans un local historique (cuisines de Fontevraud); en orientant le
baffle d'abord dans le sens horizontal puis dans le sens vertical.
L'enregistrement de ce qu'on percevait, en un point donné du local, montre avec
évidence que la coloration du baffle change fortement selon son orientation.
Les basses et le grave sont considérablement "gonflés" lorsqu'on
oriente le baffle vers le plafond; corrélativement le médium, l'aigu et le
suraigu sont fortement atténués.
Conclusion : la coloration globale de la musique dépend largement
de l'orientation du haut- parleur !
Ces quelques exemples sont certes assez
démonstratifs de l'intérêt de l'IDS dans le domaine de la directivité des
sources sonores : je n'insisterai donc pas.
5°) Acoustique des salles.
Ce qui précéde (Baffle à
Fontevraud) est en fait déjà un exemple de l’utilisation de 1'IDS poux tester
les effets d'un local sur la coloration d'un évènement sonore qu'on y diffuse.
J'ai déjà eu l'occasion de signaler l'intérêt de l'IDS dans l'étude de la
qualité des salles destinées â la musique et à la parole en particulier
(Bulletin GAM; bib.7d). La but de mes recherches en ce domaine est la mise au
point d'une méthode pour tester la qualité sonore d'une salle en fonction ce
qu'on sa propose d’y faire (animation, musique, parole). Le plus logique était
de concevoir et de fabriquer un baffle autonome, alimenté par des
accumulateurs, et de préparer une bande - test comportant des
échantillons de tous les types de musique possibles (orchestre, clavecin,
chœurs, piano, etc...) ~ Ces mêmes échantillons sont alors diffusés dans chaque
local, et on enregistre ce qui est perçu en divers points d'un local donné pour
diverses positions du baffle. Avec M. Sapaly, noua avons fait ainsi de nombreux
relevés, et de nombreux exemples ont été donnée lors de la réunion du GAM sur
le thème "Acoustique et Animation : le cas Fontevraud; oct.1976".
Revenons sur un cas précis (fig. 16).
Un orgue portatif était installé dans la
Chapelle St Lazare, à Fontevraud. Un oeuvre musicale caractéristique, bien
sélectionnée, a été enregistrée simultanément de près et de loin lors du
concert, la salle étant entièrement occupée. On a ensuite demandé à l'organiste
de rejouer la même pièce, la salle étant vide de ses auditeurs (enregistrement
simultané, encore réalisé, de près et de loin). Les diagrammes IDS confirment
et objectivent les impressions subjectives que nous avons ressenties du point
de vue de la balance spectrale, soit sur le terrain, soit à l'écoute des
enregistrements au laboratoire. Ils sont tout à fait instructifs quant a la
différence entre les théories et la réalité acoustiques... Ainsi, on soutient
par exemple couramment que le public absorbe telle au telle région
fréquentielle, les basses, 1es graves en particulier. En observant les
diagrammes IDS comparatifs entre salle pleine et vide on voit que les choses ne
sont pas si simples. En tout cas l'IDS apporte une réponse en ce qui concerne
la coloration apportée par les salles dans les conditions normales d'emploi !
Dans la grande salle du Conservatoire du 9°
Arrondissement de Paris, le Quatuor Loewenguth (instruments Camurat) joue le
quatuor " La jeune fille et la mort " de Schubert. L'enregistrement
était fait simultanément en trois points, lors du concert (salle occupée,
pleine) : au niveau des exécutants (c'est ce qu'entendent les quatuoristes), en
avant, au premier rang de la salle; puis vers le milieu de la même salles. Les
diagrammes (fig. 17) sont éloquents! Les musiciens n'entendent pat du tout la
même coloration, la même "sonorité", que les auditeurs. Les auditeurs
placés devant et derrière n'entendent pas du tout la même "balance
sonore". La salle en question comporte donc de "bonnes" et de
"mauvaises" places! L'IDS permet de voir quelles places se
rapprochent davantage de l'idéal coloré voulu par les musiciens (c'est- â- dire
de la courbe en trait plein épais, qui représente ce que font, ce que veulent
les musiciens).
Je suis actuellement en train de faire une
recherche pour voir s'il ne serait pas possible de prédire la qualité de
sonorité d'une salle pour telle ou telle musique à partir d'artefacts
acoustiques (bruit rose, clics, etc...). L'IDS est l'outil de base pour cette
recherche en cours! A titre d'exemple, voici (fig. l8) un
"bruit rose" diffusé par un
baffle autonome dans notre petite salle sourde (trait plein), et ce même bruit
rose diffusé par le même baffle dans un local très ''sonore" (le parking
souterrain vide de l'Université de Paris VI). La modification de la
"sonorité" est énorme : le parking gonfle démesurément les basses et
filtre toute la région aiguë située entre 1800 et 15000 Hz... Les expériences
préalables ont montré qu'à part des altérations du bruit rose, il est possible
de prédire ce que deviendra en ce lieu telle musique comportant peu ou beaucoup
de basses, de graves, de médiums, d'aigus, de suraigus. Je reviendrai sur cette
question ultérieurement; je la crois importante !
Prenons encore un exemple montrant le rôle déterminant
de la "sonorité" d'un lieu
Ces quelques exemples montrent tout l'intérêt
de l'IDS dans le domaine de l’acoustique, de la qualité sonore, de la coloration
des locaux d'écoute.
Si l'appareillage de l'ingénieur du son lui permettait de mesurer la "couleur sonore propre" du local de spectacle (cinéma, théâtre, etc.), il pourrait adapter (éventuellement de manière automatique) ses filtrages pour retrouver le son entendu et mesuré lors de l'enregistrement dans la salle originale. Cette démarche pourrait s'appuyer sur un IDS à l'enregistrement et un autre dans la salle de diffusion. |
6°) Etude des bruits de fond, des bruits de machines
Nous
sommes noyés dans des bruit de fond, agréables ou non, mais qui ont tous des
"couleurs" particulières que les musiciens et les poètes cherchent à
décrire ou à suggérer de diverses façons, les uns par des "sonorités"
musicales (Symphonie Pastorale de Beethoven, Pacific 931 de Honegger, etc..),
les autres par des vocables plus ou moins suggestifs ! Mais la "stridulation azuréenne"
des cigales, 1' "éblouissant ramage des petits oiseaux dans la forêt"
au lever du soleil, la "lugubre plainte du vent"... que recouvrent
donc tous ces vocables ? Pour le savoir, n'est- il pas plus efficace
d'emporter un bon magnétophone et d’enregistrer de longues séquences de bruits
de fond, dans la nature, dans la métro, au supermarché, à l'usine, dans la cour
de récréation, sur le boulevard périphérique de Paris, puis de relever des
diagrammes IDS. Quelle est l'allure du bruit de fond dans l'oliveraie de Saint
Jean du Gard, où chantent les cigales; sur le causse du Méjean ou gémissent les
moutons; dans la forêt de Fontainebleau, au printemps, où concertent des
oiseaux ? Au retour, on tirera, les
diagrammes de densité spectrale intégrée! On verra bien (fig. 20) que notre
oreille ne nous a pas trompés ! Les "colorations" de ces bruits de
fond varient à l'infini, et ont, chacune, des caractéristiques bien
particulières, que traduisent souvent assez bien les vocables des
poètes ou la musique des compositeurs
romantiques, mais bien mieux encore les diagrammes IDS ...
Il est bien inutile d'en dire davantage :
chaque diagramme IDS traduit bien ce que nous ressentons lorsque nous sommes
plongés dans un certain bruit de fond ! L'intérêt pratique de l'approche des
bruits de fond à l'IDS est évident. J'ai étudié autrefois la problème de
l'émergence des signaux d’avertissement sur les bruits de fond : le cas des
sifflets imaginés par les divers usagers placés dans des bruits fond
particuliers est tout à fait instructif (chef de gare de chemin de fer, arbitre
de match de foot- ball, agent de police, etc..). L'expérience montre que
les fabricants de sifflets ont cerné empiriquement le problème de l'allure
statistique des bruits de fonda en cause : ils placent leurs signaux où le
bruit de fond contient le moins d'énergie, obtenant ainsi la maximum
d'efficacité avec le minimun d'énergie.
Au lieu d'agir empiriquement pour réaliser des
appareils à signaux d'avertissement, ne serait- il pas préférable de
relever d'abord le diagramme IDS du bruit de fond en présence ? J'ai fait
quelques essais dans ce sens qui ont montré tout l’intérêt qu’auraient les
spécialistes du bruit d’adopter la notion de densité spectrale intégrée en huit
bandes.
Un autre domaine important qui relève de l'IDS,
important du point de vue humain et social, est celui du bruit des machines et
de leur "nuisance", pour l'oreille humaine. Entrons donc dans un
atelier de mécanique ! Deux tours y fonctionnent; on se plaint de la gène et de
la nuisance de l'un d'eux : l'ouvrier a des problèmes auditifs ! Paradoxe
: celui dont on se plaint le plus n'est pas celui qui rayonne le plus de
décibels !..
Faisons donc les relevés IDS de ces deux tours
(Fig 21). La balance spectrale est tout à fait différente : le premier
concentre l'énergie sonore vers les graves, le deuxième entre 1800 et 3000 Hz,
précisément là où l'oreille est infiniment plus sensible et plus fragile
qu'entre 50 et 900 Hz. I1 est dès lors évident que le deuxième tour est
beaucoup plus nocif que l'autre, quoique son niveau en décibels soit un plus
faible. Un simple relevé IDS aurait permis de le prédire et de le vérifier !
Voici encore un autre point dans le domaine des
bruits de machine où l’IDS peut apporter une solution intéressante. Tout le
monde sait que lorsqu'une machine se met à fonctionner de façon anormale,
l'usager ou l'ouvrier qui s'en sert le remarque rapidement "à
l'oreille" ! Le dysfonctionnement se traduit en effet très
généralement par des modifications du bruit rayonné par la machine. Or l'IDS
permet de détecter cette modification : il permet donc un contrôle du
fonctionnement d'une machine, contrôle que l'on pourrait d'ailleurs fort bien
automatiser; un signal d'alarme se déclenchant dès que le diagramme IDS se
trouve modifié dans une ou plusieurs bandes.
Bref, l'IDS pourrait permettre de repenser
certains aspects des problèmes du bruit et de sa nuisance qui sont souvent très
mal résolus parce que les appareils généralement utilisés en cette spécialité
sont visiblement mal adaptés aux problèmes relevant de la perception auditive.
Je me suis longuement expliqué sur cette question ailleurs (bib. 7j et 7k) ;
l'oreille ne traite pas l'information sonore comme le font les appareils de
physique acoustique ...
On pourrait multiplier les exemples; mais ceux
qui précèdent suffisent pour les conclusions essentielles.
IV. CONCLUSIONS
Nous avons insisté ici sur le fait qu'un certain
nombre de problèmes, ceux qui concernent la "sonorité", la "coloration",
la "balance spectrale" des évènements sonores de notre environnement,
étaient mal ou pas résolus parce que les appareillages et méthodes conventionnels
sont inadéquats dans la plupart des cas où la perception d'ordre
Les quelques exemples que nous donnons ici et
les résultats obtenus nous ont montré que cet appareillage permettait effectivement
de repenser de nombreux problèmes acoustiques et de leur trouver des solutions
réalistes. Avantage non négligeables : les documents que fournit l'IDS sont
faciles à dépouiller en fonction de la sensation auditive.
Je n' ai parlé ici que de mes recherches
personnelles en ce domaine. Selon une habitude que j'estime légitime, je n’ai
pas commencé par chercher à savoir ce que d'autres ont fait avant moi dans ce
domaine, à copier ou à modifier des appareillages et méthodes mis au point par
d'autres chercheurs. Je pense qu'un vrai chercheur doit dépasser ce stade!
Les recherches des autres chercheurs vont
intéressantes à étudier à posteriori. De toutes façons les méthodes et procédés
pour relever la densité spectrale des phénomènes sonores évolutifs sont de date
récente, et ce n'est que bien longtemps après mes premières recherches (1972)
que j'ai pris connaissance des tentatives faites en Suède au K.T.H. pour
définir la "coloration" d'un évènement sonore: par _JANSSON et
SUNDBERG ! Ces auteurs avaient publié leur méthode et leurs résultats dans la
revue "ACUSTICA" (bib. ???)
en novembre 1975 et mars 1976. Leurs idées de départ, leurs "motivations »
musicales sont en fait identiques aux miennes, mais leurs appareillages, leurs
méthodes et leurs démarches sont très différents. Ils utilisent à l'origine un
banc de 51 filtres a largeur de bande constante (250 Hz), dont les sorties sont
quantifiées par échelons ors 1 décibels et en appellent à l'ordinateur. Comme
le précisent les auteurs, les "spectrogrammes ???nés", qu'ils obtiennent ainsi varient avec la fréquence
fondamentale, les enveloppes spectrales et les niveaux des sons analysés. Cela
signifie en fait que l'analyse statistique réalisée ainsi est beaucoup plue
fine que celle que pratique l'oreille dans l'écoute à long terme. De plus,
l'allure des diagrammes est fonction de l'intensité des sons. Ce sont des
inconvénients (auxquels échappe l'IDS) rendant difficile sinon impossible le
dépouillement des documents obtenus c'est à dire la mise en parallèle entre les
documents et les sensations auditives. Signalons encore que dans leurs
publications ultérieures ces auteurs étudient des jeux d'orgue isolés par leur
méthode. Ils constatent évidemment que les diagrammes obtenus varient avec la
pièce de musique que l'on joue sur un instrument; et ceci les conduit à jouer
uniquement des gammes sur l'orgue qu'ils étudient, égalisant les niveaux des
sons sur chaque touche, etc... Or l'expérience montre que jouer
des gammes, ce n'est pas jouer de la musique...
Dans leur étude la plus récente, enfin, les
auteurs constatant sans doute (comme je l'ai fait depuis bien longtemps)
l'inadéquation de l'échelle logarithmique de fréquences dans les domaines de
l'audition, adoptent les "bandes critiques" de Zwicker (dont j'ai
parlé plus haut à propos de mon propre choix de bandes sensibles) et au lieu de
gammes prennent de la musique. Mais pour éviter les ennuis venant de la
directivité des instruments, ils enregistrent les instruments dans une chambre
réverbérante, sensée annuler les effets de la directivité des instruments. Les
auteurs comparent de cette façon des violons. Selon eux, l'intérêt de la
méthode est sa reproductibilité. Ce souci est légitime en physique. Mais la
physique n'a que des rapports lointains avec les problèmes de perception des
messages sonores... J'ai suffisamment insisté sur ce point pour ne plus y
revenir.
En résumé, l'intérêt de l'IDS réside dans le fait qu'il s'agit d'un appareillage analogique travaillant en temps réel, utilisable par tous les praticiens du son concernés par l'écoute d'ordre lointain, Les documents obtenus sont faciles à raccorder à la sensation auditive : ils sont donc significatifs et réalistes. Du fait que l'IDS n'en appelle pas à l'ordinateur et que tout le monde réussit rapidement à l'utiliser et à en dépouiller les documents, cet appareil est à la portée de très nombreux utilisateurs potentiels, à qui il est susceptible d'apporter des réponses réalistes qui font cruellement défaut en de nombreux domaines : Contrôle en fabrication et test des instruments de musique et des chaînes HI- FI, prise de son, qualité de la voix, acoustique des salles, problèmes du bruit, etc... Les quelques exemples cités plus haut devraient être suffisamment convaincants !
PARIS, 17
Novembre 1977
E. LEIPP
Equipe de
Recherche Associée su C.N.R.S. N' 537 (Professeur SAPALY)
ACOUSTIQUE PHYSIQUE et INFORMATIQUE
Laboratoire de Mécanique Physique Université de PARIS VI
(Professeur SIESTRUNCK), Institut de Mécanique Théorique et Appliquée,
2, Place de
la Gare de Ceinture - 78210, ST CYR L'ÉCOLE.
©
Copyright Bernard AURIOL (email :
)
18 Février 2008
BIBLIOGRAPHIE
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le violon - Ed. Durance, Nantes (1927).
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Etude des facteurs conditionnant la sonorité des instruments du quatuor à
cordes. Chez l'auteur. Paris (1952).
3°) Leipp (E) –
a) L'emploi du sonagraphe dans la détermination de la qualité des instrument à cordes. Annales télec. 7.14.; 5- 6 (1959) - Collab. Leipp- Moles.
b) Méthode objective d'appréciation des qualités d'un instrument de musique. C.R. ICA (Stuttgart 1959) - Congrès International d'Acoustique.
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5°) Lapicque (C) - Essais sur l'espace,
l’art et la destinée, Grasset, Paris (1958).
6°) Leipp (E) - Evaluation globale d'une
chaîne haute- fidélité par analyse d'ordre proche et lointain: Journées
d'Etude du Festival International du Son de Paris. Ed. JACOB, Paris (1977).
7°) Leipp (E) - Publications de M. Leipp
où il est question de l'Intégrateur de densité spectrales (IDS).
a) Apports
de l'acoustique musicale à l'étude digitale des musiques ethniques : une
méthode d'étude des échelles musicales ethniques avec une application pratique
: " Traitement numérique des musiques ethniques " en collaboration
avec M. Mlouka.
in : Informatique musicale, Journées d'Étude ERRATO. Édition du CNRS, Paris, Octobre 1973.
b) Peut- on
tester l'oreille musicienne? Bulletin GAM N° 85, Mai 1976.
c) Haute- fidélité
et Acoustique. Journées d'Étude du Festival du Son de Strasbourg. Ed. Siere, Paris, Oct.
1976.
d)
Acoustique et Animation : Le cas Fontevraud - Bulletin GAM N° 87,
Oct.1976
e)
Évaluation Globale d'une chaîne haute fidélité, Journées d'Étude du Festival
International du Son. Ed. JACOB, Paris 1977.
f) L'Intégrateur
de Densité spectrale IDS. Exposé au Groupement des Acousticiens de Langue
Française (GALF), 21 Novembre 1976. A paraître dans la Revue d'Acoustique.
g) Formes
et couleurs des chants d'insectes, Exposé fait dans le cadre du Colloque
organisé par l'EPHE (Melle Y. Leroy); Avril 1977.
h) Congrès
International d’Acoustique, 1977. Symposium satellite organisé par l'IRCAM -
Exposé général d'introduction : Les outils de la psycho- acoustique, le 13
Juillet 1977.
i) Guitare
et Acoustique. Réunion du GAM du 11 Octobre 1977, Bulletin GAM N° 93
j)
Métrologie et audition, précision et adéquation des méthodes utilisées en
acoustique "auditive". Conférence GALF (1975) - Revue
d'Acoustique, Vol. 9 n° 36 (1976).
k) La
Machine à écouter : Essai de psycho- acoustique - 260 p.,76 fig.,
Masson
PARIS
(1977).
8 °) Meyer (Jürgen)
a)
Akustik und
Musikelische Aufführung, Das Musikinstrument, Frankfurt/Main
b)
La
disposition des musiciens dans l'orchestre. Bulletin GAM N° 48 (1970)
9°)
a)
Jansson
(E.V.) et Sundberg (J) - Long- time- average- spectra
applied to analysis of music. Part I, Method and General Applications,
ACUSTICA, Vol. 34, n° 1 (1976)
b) Sundberg (J) and Jansson
(E.V.) - Long- time- average- spectra applied to analysis
of music. Part II. An analysis of organ stops. ACUSTICA. Vol. 34, n° 5 (1976)
c) Jansson (E.V.) -
Long- time- average- spectra applied to analysis of music. A
simple method for surveyable analysis of complex sound sources by means of a
reverberation chamber, ACUSTICA, Vol. 34, n° 5 (1976).
Etaient présents à cette réunion :
M. LEIPP, Secrétaire général
Melle CASTELLENGO, Secrétaire
Puis, per ordre d'arrivée
M. KERGOMARD (CNRS); M. GENET
VARCIN (campanologue); M. DUPARCQ (Musicien); M. GEAY (Univ. AIX); Mme GENET-
VARCIN (Anthropologue); M. VAN STRAELEN (Journaliste); M. AKIR TAMBA (musicien;
CNRS):; N1. GUILLOU (CNRS); Malle GUILLOU (Etudiente); M. GUETTAT (Musicologue);
M. BORDAS (Ingénieur THOMSON); M. MOIROUD (Ingénieur du son; Dr PERROT (mus
aologue); M. PERROT Marc (doctorat); M. DERUTTER (Étudiant musicologie); M.
DUBEAU (E diant); Mme BOREL MAISONNY (orthophoniste); M. LEGUY (instruments
anciens); Dr KADRI (Médecin orthophoniste); M. ROUGIE (Étudiant); John WRIGHT
(musicien); M. BATISSIER (Secrét. Gdné.SIERE);.M. S. BARUCH (Ingénieur conseil);
Telle LEVY- MANGEOL (orthophoniste); Malle Sylvie HUE. (prof. musique); M.
CORDEAU (Prof.); M..MAHE (prép.PCM); M. PERRI (préparateur); M. UNGEMACH (Étudient);
Mme Claude CAMP- VAL (Mettre assistant); Mine OTTIE (Chef de travaux CNAM);
M. BARDEZ J. (Prof. Musique); M. TESTEMALE (informa ticien); M. FONTAINE (CNAM);
M. CAUSSE (IRCAM); M. Max MILLANT (luthier); Dr POUBt.AN (Médecin biologiste);
M. BOL; M. Robert CARRE (Prof.); Dr CHOAIN (Fac.M6decine LILLE) M. SIMAHE
(ingéieur; Babolat Maillot Witt); M. FORTIN (Secrétaire technique); Melle.
LEROY (EPHE); M. SURUGUE (PRSTOM); M. OSES (ORSTOM); Mme NI- EKY (BPI - Centre
Pompidou. M. CARFANTAN (Ingénieur); Malle GAZANTE (EPHE); M. LEGROS (.Ingénieur);
Mme A, FL " LIN.(Professeur); M. MORKERKEN (Étudient); M. VIVIE (Studio
prise de son); M.NIEKY, Melle
xcu E : M. Charles MAILLOT
(BW Lyon), Luc ÉTIENNE; M. CONDAMINES; M. TRAM VAN KHE; Mme Edith WEBER; M.
$A£RD; Nèpe de VERTEUIL; M. BASCHET; M. CEOEN; M. LEBOEUF; M. FRAP M. PASQOET;
M. CHENAUD.
PÉRIODIQUE : 6 numéros annuels. Imprimeur : Laboratoire de Mécanique Physique de ItUniversité Paris VI. Directeur de le publication : M. la Professeur R, SIE51RUNCK Diffusion du bulletin du GAM : s'adresser àLE DROIT CHEMIN DE MUSIQUE 5, rue Fondary 75015 - PARIS - Té1 : 575- 12- 14