La distorsion dans les microphones

Nous cherchons constamment à éviter la distorsion dans nos enregistrements. Malheureusement, elle est présente même si elle est inaudible. Lors de la mise en place de la chaîne d’enregistrement, les différentes connexions de la chaîne audio créent une infime distorsion. Ces connexions, et donc ces distorsions multiples, s’additionnent et peuvent être audibles si elles ne sont pas soignées.

Par Eddy B. Brixen, spécialiste de l’audio

Avant de considérer la quantité de distorsion, nous devons définir les différentes formes de distorsion que nous rencontrons dans notre équipement – et dans notre cas – avec un accent particulier sur les microphones. Nous devons également considérer le système auditif (les oreilles et le cerveau), qui définit les vraies limites de l’audition.

Distorsion – linéaire ou non linéaire ?

Lorsqu’un signal passe d’une entrée à une sortie, toute modification de ce signal (c’est-à-dire la forme d’onde du signal) est une distorsion. En gros, toute distorsion est non linéaire. Cependant, le changement d’amplitude pourrait être considéré comme une «distorsion linéaire» car il peut être corrigé ultérieurement. Le retard d’un signal est parfois aussi considéré comme une distorsion linéaire puisque la forme d’onde est intacte, juste livrée un peu plus tard.

En raison de ces définitions, toute égalisation, tout changement de bande passante et toute limitation/compression entraînent une sorte de distorsion. Cependant, nous devrions être conscients de cette distorsion involontaire et comment elle affecte la qualité sonore perçue.

Distorsion – d’où vient-elle ?

La distorsion se produit en raison des limitations et de la non linéarité d’un système. Même le son dans l’air a une limite d’amplitude. Lorsque le niveau de pression sonore dépasse 194 dB SPL, il n’y a plus assez de molécules d’air pour former la partie négative de l’onde sonore lorsqu’elle atteint le point de vide total. (Voir la figure ci-dessous).

Signal écrêté

Figure 1. Distorsion dans l’air lorsque le SPL dépasse 194 dB.

 

Waveform du décollage d'Apollo 13

Figure 2. Fichier son du décollage d’Apollo 13. Après 60 secondes, vous pouvez entendre ce qui ressemble à une forte distorsion. C’est une distorsion dans l’air. Si vous regardez la forme d’onde (ci-dessus), vous pouvez voir que les parties positives sont plus élevées que les parties négatives.

 

 

Distorsion dans les microphones

Un élément majeur du microphone est son diaphragme. Si le microphone est du type condensateur, le diaphragme est placé devant une plaque arrière. L’espace entre les deux est dans la gamme de 20-50 µm.

Lorsque vous placez le microphone dans une situation de haute pression acoustique, il est évident qu’il y a une limite à l’excursion du diaphragme, au moins lorsqu’il est poussé vers la plaque arrière. En outre, le matériau du diaphragme lui-même a une limite à la façon dont il est “extensible” dans les deux sens.

Tout microphone à condensateur nécessite une électronique qui convertit la haute impédance du transducteur en une impédance relativement faible pour alimenter des câbles plus longs. Cette partie électronique peut être une source de comportement non symétrique. (CORE by DPA® vise justement à améliorer ce point précis).

Distorsion d'une membrane de microphone

Figure 3. Une façon de décrire les non linéarités d’un système. La courbe bleue: pas de limitations. La courbe pointillée rouge: Limitations dans le système.

Comment montrer la distorsion ?

Selon les normes IEC, la non-linéarité en amplitude s’exprime par trois mesures: la distorsion harmonique totale (THD), la distorsion du nième ordre et la différence de fréquence de distorsion du second ordre. Que veulent dire ces termes?

Distorsion harmonique totale (THD)

Une onde sinusoïdale pure est constituée d’une seule et unique fréquence. En cas de distorsion (typique par écrêtage), des fréquences supplémentaires – des multiples entiers du ton fondamental – sont générées. Si le microphone est placé dans un champ sonore d’une tonalité pure (par exemple 1 kHz), les produits de distorsion – les harmoniques générés – comprennent des composantes paires de fréquence à 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, etc. (En cas d’écrêtage symétrique, seuls des harmoniques impaires sont générées, 3ème, 5ème, 7ème, etc.).

La mesure de la THD est effectuée en mesurant la quantité (RMS) de toutes les harmoniques d’ordre supérieur en pourcentage du niveau de la fréquence fondamentale. Le résultat devrait de préférence être inférieur à 1% dans la majeure partie de la plage dynamique. Une distorsion harmonique de 1% signifie que les composantes de fréquence indésirables ont un niveau inférieur de 40 dB à la fréquence fondamentale.

Ceci est une limite respectée par de nombreux fabricants de microphones. Il s’agit également d’une limite “visuelle” car cette quantité de distorsion devient visible sur la forme d’onde, par exemple constatée sur un oscilloscope ou lorsqu’elle est enregistrée et visualisée dans un DAW.

Génération d'harmoniques

Figure 4. La THD est la partie des harmoniques crées en raison de la non-linéarité, par exemple l’écrêtage.

 

En pratique, la THD est difficile à mesurer à des niveaux de pression acoustique bas et moyens, car le haut-parleur présente normalement une distorsion plus élevée par rapport au microphone. Cependant, lorsque vous approchez des niveaux proches des limites SPL maximales du microphone, la THD peut augmenter rapidement.

Distorsion du nième ordre

C’est en principe la même que la THD, sauf que les harmoniques sont individuellement mesurées et quantifiées. Parfois, la troisième harmonique présente un intérêt particulier car elle est, par écrêtage symétrique, l’harmonique prépondérante par rapport à toutes les harmoniques générées.

La différence de fréquence de distorsion du second ordre

Pour cette mesure, deux tonalités sinusoïdales pures sont appliquées à des niveaux identiques. En conséquence, deux harmoniques sont crées, l’une de différence et une autre de somme. Pour un exemple de deux fréquences de 1000 et 1100 Hz, l’harmonique de différence sera 100 Hz et celle de somme 2100 Hz. Ces composantes de fréquence sont mesurées et quantifiées en pourcentage des fréquences fondamentales.

Il faut noter qu’il est tout à fait correct d’appliquer une méthodologie standardisée pour la mesure de la distorsion. Cependant, les normes ne prennent en compte qu’un petit nombre de formes possibles de distorsion. Dans la vie réelle, les signaux sont beaucoup plus complexes et les composantes de distorsion aussi.

Qu’est-ce qui est audible?

Pour cela nous devons prendre en compte la recherche psychoacoustique. Voici quelques phénomènes qui influencent la qualité sonore perçue.

Seuil d’audition

Notre système auditif entend les sons à partir d’un certain niveau sonore. Cette limite varie avec la fréquence. Aux basses fréquences, le niveau de seuil est plutôt élevé. Dans la gamme de fréquences de 2-4 kHz, le niveau de seuil est bas. Voir la figure 5.

 

Seuil d'audition en fonction des fréquences

Figure 5. La courbe indique le seuil d’audition (personnes ayant une audition normale). Les humains ne peuvent pas entendre le son en dessous du seuil. Veuillez noter que les humains n’entendent pas très bien les basses fréquences à bas niveau.

Masquage

Lorsque l’oreille est exposée à l’énergie sonore dans une gamme de fréquences spécifique, un masquage des fréquences environnantes se crée. Ce masquage fonctionne particulièrement à des fréquences plus élevées.

L’illustration ci-dessous montre les courbes de masquage d’une tonalité pure de 1 kHz à divers SPL.

effet de masque en fonction des fréquences

Figure 6. Le diagramme montre les courbes de masquage d’une tonalité pure de 1 kHz à divers SPL.

 

Cela signifie que très souvent les composants de distorsion deviennent inaudibles à cause du masquage.

Effet de masque

Figure 7. La 3e harmonique (3 kHz) de la tonalité de 1 kHz est inaudible en raison du masquage même si la distorsion est de 5%.

 

En ce qui concerne la différence de fréquence de distorsion, les harmoniques plus graves deviennent les plus audibles. Ceci est également lié au fait que les tons de différences ne sont pas nécessairement musicaux et sont donc perçus comme plus gênants.

L’effet de masquage est essentiel pour tous les formats audio à réduction de bits. Ici, la distorsion peut être élevée et le rapport signal / bruit faible. Cependant, nous (les auditeurs en général) acceptons souvent la façon dont cela sonne.

Distorsion de l’oreille

L’oreille elle-même génère une distorsion. Ce phénomène existe surtout à des SPL plus élevés. L’oreille a sa meilleure résolution à des SPL inférieurs.

Ce phénomène est entendu lorsque vous écoutez deux sons presque aussi forts. Selon l’intervalle de fréquence entre les deux tonalités, une troisième tonalité peut être entendue. Par exemple, si vous entendez deux tonalités avec un intervalle de quinte, C3 et G3 (131 Hz et 196 Hz), votre oreille créera la tonalité de différence de 65 Hz C2, qui est inférieure d’une octave au C3. (On utilise cette technique dans la construction des orgues à tuyaux pour créer des “sous-voix artificielles”).

Voici un exemple d’intermodulation ou de différence de fréquence de distorsion. On génère deux ton, l’oreille produit alors une distorsion de tonalité différente. Cependant, seuls les sons de fréquence plus basse que le son réel sont perçus – en raison du masquage.

Sub-harmoniques d'un signal

Figure 8. Distorsion dans l’oreille: Les composantes de fréquence se produisent en raison de deux fréquences: 1 kHz et 1,6 kHz. Seuls les deux composants inférieurs à 1 kHz deviennent audibles.

 

Conclusion

En général, il ne devrait pas y avoir de distorsion dans vos microphones. Cependant, en réalité il y en a. Des mesures telles que la THD et les distorsions par différence de fréquence ne constituent pas l’ensemble des sources de distorsion. Cependant, les données dans les manuels sont un indicateur de «santé» de conception. L’oreille perçoit elle-même de manière très complexe car l’oreille produit elle-même de la distorsion. Malgré les chiffres, plus il y a de distorsion dans votre micro, plus le son est boueux et plus le son est brouillon dans votre enregistrement.

Les micros DPA Microphones sont justement conçus pour capter le son tel qu’il est dans sa forme la plus pure. La distorsion induite est extrêmement faible.