Procédés et systèmes d'enregistrement et de reproduction sonores en trois dimensions

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CHAPITRE 4 : LES SYSTÈMES ÉLECTROACOUSTIQUES GÉOMÉTRIQUES

Le développement initial des systèmes électroacoustiques a été intimement lié au développement de la téléphonie. Nous l'avions oublié, car aujourd'hui nous faisons une distinction basée sur la spécialisation respective de leurs utilisations. Or cette distinction, entre le téléphone et, ce qu'on pourrait appeler globalement, la chaîne stéréophonique, n'existait pas à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle. En effet, mis à part l'étape de stockage de l'information, le but du téléphone et de la chaîne stéréophonique est le même: capter une information sonore dans un lieu donné et émettre cette information sonore dans un autre lieu. Faut-il alors se surprendre que la première captation stéréophonique utilisant deux microphones a été transmise via deux lignes téléphoniques? C'est ainsi que dans le cadre de l’Exposition internationale de l'électricité de Paris, en 1881, l'inventeur Clément Ader procéda à la retransmission stéréophonique à distance des concerts qui avaient lieu à l'Opéra de Paris 58. Déjà, à cette époque, il était clair que l'encodage des caractéristiques directionnelles d'un événement acoustique nécessitait l'emploi de plus d'un canal d'information. Alors, est-ce que deux canaux pouvaient être suffisants? En 1898, le gramophone Multiplex Graphophone Grand utilisait trois cornets, pour la captation et la reproduction, qui inscrivaient et lisaient trois sillons sur un cylindre 27. À un coût prohibitif de mille dollars, cet appareil n'a sûrement pas trouvé beaucoup de preneurs.

À la lumière de ces deux exemples, nous voyons que dès le début de la téléphonie, il y a plus de cent ans, les qualités directionnelles d'un événement acoustique n'étaient pas captables avec un seul microphone et reproductibles avec une seule enceinte acoustique. Cependant, l'utilisation encore très courante en radio et télédiffusion de la captation et de la transmission à un canal demande son inclusion dans le présent mémoire. Étant donné que, durant nos recherches, nous n'avons pas recensé de systèmes à capteur unique utilisant un filtre acoustique adjacent à la capsule, il apparaît normal d'analyser les systèmes électroacoustiques à un canal d'information à partir du modèle géométrique.

4.1 Systèmes électroacoustiques à un canal d'information

La captation et la reproduction à canal unique d'information sont mieux connus sous l'appellation de monophonie. Dans la monophonie, l'information sonore n'est captée et émise que d'un seul point dans l'espace; dans ce sens, c'est un système qui n'est même pas unidimensionnel. L'utilisation de microphones aux propriétés sphériques différentes ne change rien à cet état de fait; tout au plus change-t-on le ratio entre le son provenant directement de la source et le son réfléchi sur les parois du lieu de captation. À la reproduction, à moins de déplacer physiquement la source d'émission sonore de reproduction, c'est-à-dire l'enceinte acoustique, aucun déplacement ou positionnement spatial sonore autre que celui de la source d'émission n'est possible.

Alors, si la monophonie n'est même pas unidimensionnelle, comment se fait-il, lors de la reproduction, que l'on puisse apprécier ou évaluer les caractéristiques acoustiques du lieu de captation, comme la réverbération ou l'écho? Un phénomène sonore comme la réverbération livre ses indices sur l'acoustique du lieu de captation à la fois par une description spatiale et une description temporelle de cette acoustique. La captation monophonique, si elle ne permet pas la saisie discriminante des descripteurs spatiaux de la réverbération, permet toutefois la saisie discriminante de ses descripteurs temporels. Ces descripteurs temporels sont des variations dans le temps de l'amplitude globale et du ratio d'amplitude des fréquences du son réfléchi qui parvient au capteur. Lors de la reproduction, notre expérience auditive nous permet donc d'interpréter les descripteurs temporels et d'évaluer les caractéristiques acoustiques du lieu de captation. Peut-on alors vraiment parler de dimension spatiale, captée et reproduite par le système électroacoustique, quand celle-ci n'existe que dans l'extrapolation mentale basée sur une partie des éléments descripteurs? Nous ne le croyons pas et persévérons ainsi dans notre affirmation que la monophonie n'est même pas unidimensionnelle. Par ailleurs, il faut remarquer que le phénomène d'extrapolation mentale décrit plus haut est vrai pour tous les systèmes électroacoustiques, qu'ils relèvent du modèle binaural ou du modèle géométrique.

4.2 Systèmes électroacoustiques à deux canaux d'information

Cette section porte sur les systèmes électroacoustiques utilisant deux canaux d'information, communément regroupés sous le terme de stéréophonie. Il serait important de mentionner tout d'abord que le préfixe stéréo vient du grec stereos qui signifie un solide dans le sens géométrique du terme; la stéréophonie serait donc le son en trois dimensions. Nous croyons alors que le terme stéréophonie constitue, en regard de son étymologie et de son utilisation courante pour désigner spécifiquement les systèmes électroacoustiques à deux canaux, un abus de langage historique. Mais par convention avec l'usage habituel, et pour éviter de créer une confusion supplémentaire dans la valse terminologique que l'on constate souvent dans ce domaine, on limitera le sens de stéréophonie à une captation transmise par deux canaux et devant être reproduite avec deux enceintes acoustiques ou un casque d'écoute.

Nous l'avons mentionné un peu plus haut, dès le tout début de la téléphonie, l'utilisation de deux canaux pour la transmission et la reproduction sonore apparaissait comme une nette amélioration par rapport à la monophonie. Il a fallu toutefois attendre une quarantaine d'années avant que l'amélioration des composantes mécaniques et électriques, constituant les systèmes électroacoustiques, permette des expérimentations plus poussées et une commercialisation possible de la stéréophonie. En 1931, des demandes de brevets sur la gravure d'un sillon à deux canaux sur disque ou sur cylindre étaient déposées en Angleterre 10 et aux États-Unis 63. Les conditions défavorables de la crise économique empêchèrent toutefois les investissements nécessaires à la commercialisation de ces brevets.

Les années cinquante, avec le boom économique d'après-guerre, offrirent un contexte plus favorable à cette commercialisation. Dans le cas des États-Unis, cette demande venait des Laboratoires Bell où on faisait depuis quelque temps des enregistrements stéréophoniques à deux ou trois microphones. La demande de brevet en Angleterre venait de Alan Dower Blumlein, qui travaillait pour la compagnie EMI. Ce qu'il y a d'intéressant dans le brevet de Blumlein, c'est qu'il ne parle pas uniquement de la gravure, mais d'un système stéréophonique complet, de la captation à la reproduction. À la lecture de ce brevet, il devient évident que plusieurs techniques de production utilisées aujourd'hui en stéréophonie viennent directement de Blumlein. Nous allons donc, au fur et à mesure que nous aborderons ces techniques, indiquer en quoi elles sont redevables à Blumlein.

La captation stéréophonique de base à deux microphones nous offre une multitude de possibilités quant aux combinaisons fonctionnelles de micros. On peut toutefois regrouper ces combinaisons de micros en deux classes: les captations coïncidentes et les captations non coïncidentes. Comme nous allons le voir, ces techniques de captation utilisent soit la différence intercanal d'amplitude, soit une combinaison de différence intercanal d'amplitude et de différence intercanal de phase pour encoder le positionnement des sons 25.

4.2.1 Les captations stéréophoniques coïncidentes

Dans la prise de son coïncidente, deux capsules directionnelles occupent théoriquement le même point dans l'espace, mais avec leur axes de rotation dirigés dans des directions différentes. Le son arrive ainsi en même temps aux deux micros, mais avec une amplitude variant différemment dans les deux micros en fonction de la direction du son. Donc en prise de son coïncidente, l'encodage de la position d'une source sonore donnée dépend uniquement de la différence intercanal d'amplitude 25. Évidemment, avec deux micros omnidirectionnels coïncidents, il n'y aurait théoriquement aucune différence d'amplitude selon la direction des sons. L'utilisation coïncidente de micros ayant le même diagramme polaire est généralement désignée X-Y. On peut utiliser deux cardioïdes, deux hypercardioïdes ou deux figure-huit. Les angles d'écartement varient généralement entre 90° et 180°, les angles plus larges étant préférés pour les cardioïdes et les hypercardioïdes, et l'angle de 90° étant l'usage préféré avec des figure-huit. Placés de cette façon, les figure-huit suivent exactement une fonction sinusoïdale pour le positionnement des sons tout comme le fait un panoramiqueur de console de mixage. Les figure-huit à 90° ont été proposés par Blumlein en 1931 10 et c'est ce qui explique que cet assemblage est aussi connu sous son nom 88.

Dans la pratique, le fait d'occuper le même espace par deux microphones n'est pas physiquement possible; on les place habituellement un par-dessus l'autre et ils occupent ainsi, dans un plan horizontal parallèle à leur axe de rotation, le même point dans l'espace. La force principale de cette technique réside dans la possibilité de créer des microphones virtuels en variant la combinaison de la sommation monophonique et de la différence stéréophonique produits par les micros originaux. La sommation s'obtient en additionnant les signaux des deux microphones et la différence, en additionnant encore les signaux, mais en prenant soin de renverser la polarité du signal d'un des deux micros.

On peut aussi utiliser directement à l'enregistrement des micros ayant des caractéristiques sphériques analogues à la sommation mono et la différence stéréo. Cette technique est plus connue sous son appellation M-S pour Middle-Side ou Mono-Stéréo 88. Tel que proposé par Blumlein dans son brevet 10, le micro M pointe directement vers le centre de la source en étant orienté à 0° d'azimut et le micro S est orienté à 90° d'azimut. Le micro M est généralement un cardioïde, mais il peut être aussi un figure-huit, un micro directionnel d'ordre supérieur 38 ou exceptionnellement, en regard des autres captations coïncidentes, un omnidirectionnel. Par contre, le micro S sera toujours un figure huit. En additionnant et soustrayant les signaux du M et du S (M + S, M - S) on obtient de nouveaux micros virtuels ayant l'orientation et les caractéristiques sphériques d'une paire X-Y. En changeant le ratio du M par rapport au S, on peut varier l'écartement des micros virtuels. Cependant, l'écartement de la paire de micros virtuels est directement lié à ses caractéristiques sphériques: plus on écarte les micros, plus on augmente la proportion de l'harmonique sphérique de premier ordre, le micro S figure-huit. Donc, en les analysant avec le modèle des harmoniques sphériques, les techniques X-Y et M-S sont équivalentes 59. Dans la réalité cependant, certains ingénieurs préfèrent le M-S parce qu'il en résulte une sommation monophonique de meilleure qualité dans ses caractéristiques fréquentielles et sphériques.

Nous voyons que les techniques coïncidentes sont, sur une base théorique, interchangeables. Évidemment, les caractéristiques sphériques et l'angle d'écartement des microphones auront un impact sur la fonction de panoramique. Les figure-huit à 90° et les cardioïdes à 180° sont les seules captations à avoir une fonction de panoramique régulière, c'est-à-dire qui ne favorisent aucun quadrant au détriment d'un autre. Les autres combinaisons, obtenues en X-Y ou en M-S, vont plus ou moins favoriser le quadrant avant ou les quadrants gauche et droit. Mais ce qu'ont en commun toutes ces captations coïncidentes, en utilisant uniquement deux microphones, c'est le caractère unidimensionnel dans leurs capacités d'encodage spatial.

4.2.2 Les captations stéréophoniques non coïncidentes

Contrairement à ce qui se fait en technique coïncidente, l'utilisation de microphones omnidirectionnels est, par contre, tout indiquée pour la prise de son non coïncidente. Cette classe regroupe l'ensemble des techniques où les deux microphones n'occupent pas le même point dans l'espace. Le micro omnidirectionnel est utilisé dans un montage généralement appelé A-B, où les distances les plus couramment utilisées entre les deux micros varient de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres, ces distances variant d'une situation et d'un ingénieur à l'autre. Le fait est que la distance entre les micros, en plus de la différence intercanal d'amplitude, crée une différence intercanal de phase puisque les sons arriveront aux micros à des moments différents. Lorsque la distance entre les micro dépasse quelques mètres, l'ajout d'un troisième micro omnidirectionnel, équidistant entre les deux micros principaux et dirigé au centre de l'image stéréophonique, est recommandé; cette pratique s'inspire directement des expériences sur la stéréophonie menées dans les Laboratoires Bell durant les années trente 63.

D'un autre côté, quand la distance entre les microphones est plutôt petite, soit moins que trente centimètres, les micros omnis ne sont plus nécessairement un bon choix puisque la différence intercanal d'amplitude commence à devenir vraiment faible. Cependant, si l'on tient à utiliser les microphones omnis, particulièrement pour leur qualité spectrale, l'ajout d'un baffle est alors préférable. Le Optimal Stereo System (OSS) en est un exemple: deux omnis espacés de 16,5 cm, séparés par un baffle circulaire acoustiquement amorti d'un diamètre de 28 cm 62. Il s'agit, encore dans ce cas, d'un scénario de captation stéréophonique couvert par le brevet de Blumlein 10.

Pour les distances intermicrophones inférieures à 30 cm, l'utilisation de micros directionnels devient une option très populaire. La littérature spécialisée identifie souvent ce type de captation comme un regroupement à part entière et lui donne le nom de quasi coïncident. Le montage français ORTF 13 est sans aucun doute le plus connu de cette famille. Il utilise deux cardioïdes espacés de 17 cm et compris dans un angle de 110°. Le montage hollandais NOS 88 utilise lui aussi deux cardioïdes, mais espacés de 30 cm et dans un angle de 90°, tandis que le montage britannique Faulkner 2652, sûrement le moins connu, utilise deux figure-huit espacés de 18 à 20 cm, mais avec leurs axes de rotation parallèles l'un à l'autre et dirigés vers la source.

À ces montages, on pourra toujours apporter quelques modifications. Ainsi, chez la compagnie AKG, l'utilisation d'un baffle circulaire de 35 cm semblable à celui du système OSS est recommandée pour améliorer la performance du système ORTF 80. Dans les montages quasi coïncidents, le baffle est optionnel; on devra toutefois l'utiliser si on tient à préserver une grande compatibilité monophonique. Il y aura en effet, pour certaines longueurs d'onde déterminées précisément par la distance entre les microphones, des déphasages de 180° causant des annulations audibles de ces fréquences en monophonie. Une analyse des harmoniques sphériques des montages quasi coïncidents sans baffle révèle, à l'instar des phénomènes acoustiques d'interférences que l'on retrouve dans les micros canons, qu'une harmonique sphérique de deuxième ou de troisième ordre, variant selon les longueurs d'onde, constitue une partie importante du micro virtuel correspondant à la sommation monophonique 90. Donc, le baffle, en diminuant l'amplitude des signaux conjoints aux deux micros mais en opposition de phase, assurera la compatibilité monophonique.

Les captations non coïncidentes, parce qu'elles utilisent deux micros, sont unidimensionnelles dans leur encodage spatial, tout comme les captations coïncidentes. Dans le cas du montage A-B, puisque l'ajout potentiel de micros supplémentaires se fait sur la même ligne que les micros principaux, on ne fait qu'améliorer la définition de la ligne. La techniques A-B est donc tout aussi unidimensionnelle que les autres.

4.2.3 Les captations stéréophoniques polymicrophoniques

Les enregistrements polymicrophoniques à capteurs monophoniques utilisent principalement la différence intercanal d'amplitude pour positionner les sons monophoniques entre la gauche et la droite, lorsqu'ils sont mixés en temps réel ou en différé sur deux pistes. Le contrôle de panoramique sur les consoles agit en changeant l'amplitude du signal dans un canal par rapport à l'autre. Les enregistrements polymicrophoniques à capteurs stéréophoniques peuvent utiliser différentes combinaisons de capteurs stéréos principaux et de capteurs monos d'appoint. Le mixage pourra préserver ou non les caractéristiques d'encodage directionnel des différents assemblages de micros, en maintenant ou en diminuant la séparation des canaux de ces différents assemblages. Par ailleurs, la différence intercanal de phase n'est pas encore utilisée de façon courante pour positionner les sons dans un mixage sur deux pistes. Jusqu'à maintenant, les appareils périphériques qui produisaient de tels délais servaient plus souvent à créer des impressions spatiales au positionnement diffus; le rapprochement avec la prise de son non coïncidente est assez facile à faire. Mais l'art du mixage stéréo d'une captation polymicrophonique s'est vu récemment enrichi de nouvelles expérimentations dans le domaine. La question du traitement temporel des microphones d'appoint y a été abordée et plusieurs hypothèses y ont été testées.

La technique courante de polymicrophonie consiste à capter l'événement par un montage stéréophonique et des microphones monophoniques d'appoint sur les instruments dont on veut compenser la faiblesse relative du signal. Telle quelle, cette technique comporte un important problème: les sons captés par les microphones d'appoint seront perçus avant les sons captés par le montage stéréo. Il en résultera l'illusion que l'information du montage stéréo constitue les premières réflexions et que les micros d'appoint constituent les sons directs 87. L'enregistrement devient sec. Si on ajoute de la réverbération artificielle, il se produit une décorrélation avec l'acoustique originale. Pour contrer l'avance temporelle des signaux des micros d'appoint, le réflexe normal est de compenser par des délais équivalents à la distance entre chaque micro d'appoint et le montage stéréo. Cependant, cette technique de correction crée de nouveaux problèmes de filtrage fréquentiel lorsque la source d'un micro d'appoint donné se déplace latéralement, changeant ainsi sa relation temporelle avec le micro d'appoint et le montage stéréo mais dans des proportions différentes.

Reste une dernière solution, assez prometteuse, qui consiste à introduire dans les canaux des micros d'appoint un délai supérieur à celui correspondant à la distance entre les micros d'appoint et le montage stéréo 87. Ce délai renvoit donc les signaux monophoniques dans la zone temporelle des premières réflexions et ne détruit pas l'image produite par le montage stéréo. Cette technique de mixage à relation acoustique est encore plus efficace si, pour une source donnée, plus d'une réflexion sont simulées.

4.2.4 Appréciation subjective des captations stéréophoniques

Quelles sont les différences audibles et appréciables entre les techniques de prises de son stéréophoniques coïncidentes et non coïncidentes? Avant de les mentionner, il serait bon de rappeler que ces différences sont d'ordre psychoacoustique; même si on peut facilement identifier et mesurer l'apport de chaque mécanisme d'encodage directionnel dans une captation stéréophonique, l'oreille reste le juge final quant au succès des différentes techniques. De plus, il semblerait que la précision dans la reproduction directionnelle des sons n'est pas le seul critère pour apprécier la qualité de la reproduction spatiale d'une captation stéréo. Carl Ceoen, de la Radiodiffusion-Télévision Belge, a procédé en 1971 à un test d'écoute comparative de différentes captations stéréophoniques du même événement musical 14. Les critères d'évaluation, en plus de la précision directionnelle («stage continuity»), étaient les suivants: «liveness, intimacy, perspective, extra-width, dynamic range, warmth et brillance» 14. Au-delà de soixante personnes ont écouté l'extrait des Danses slaves de Dvorak capté simultanément en X-Y (cardioïdes), Blumlein, M-S (cardioïde/figure-huit), ORTF, NOS et polymicrophonie (cinq cardioïdes panoramiqués avec une console). La majorité des personnes interrogées ont indiqué que la captation ORTF semblait être le meilleur compromis entre tous les critères, avec le M-S comme second choix.

Cette préférence courante pour la non-coïncidence, Griesinger a tenté de l'expliquer par le fait que ces captations donnent une meilleure «impression spatiale» 54. Nous avons traduit ce terme à partir de celui formulé par Barron et Marshall 3, et repris par Griesinger et Theile 83. Cette impression spatiale est une partie de l'information sonore spatiale encodée par une captation stéréophonique. Cependant, on n'y retrouve pas d'information directionnelle précise, mais plutôt une information sur l'acoustique du lieu original. Theile dit que l'impression spatiale comprend deux attributs de l'image sonore: la «réverbérance» 83, qui est une diffusion temporelle des événements auditifs causée par les réflexions tardives et la réverbération, et «l'aération spatiale» 83, qui est une diffusion spatiale des événements auditifs causée par les premières réflexions. Cette information sur l'impression spatiale est contenue dans le micro figure-huit, réel ou virtuel, correspondant au signal de différence stéréophonique de la captation. L'orientation de ce microphone fait qu'il est particulièrement apte à capter les premières réflexions de la salle; celles-ci donnent en fait beaucoup d'indices sur le volume de la salle originale. La distance entre les micros dans un montage non coïncident assure une faible corrélation intercanal et contribue ainsi à produire un signal de différence stéréo psycho-acoustiquement riche. Ainsi, nous croyons que la préférence pour les techniques non coïncidentes est une indication assez forte des défauts inhérents à la stéréophonie conventionnelle quant à sa capacité à donner une impression crédible de l'espace acoustique de l'événement.

4.2.5 Le traitement de signal stéréophonique

Les montages coïncidents permettent généralement une variation uniforme de la différence intercanal d'amplitude, mais l'absence de différence intercanal de phase produit une différence stéréo à forte corrélation et restitue de façon terne l'impression spatiale. Griesinger suggère toutefois la correction en palier (shelf filtering) de la sommation et de la différence stéréo d'une prise de son coïncidente pour y augmenter l'impression spatiale. En augmentant de 4 dB les fréquences endessous de 700 Hz dans la différence stéréo, et dans certains cas en réduisant aussi de 4 dB cette même plage de fréquences dans la sommation monophonique, on semble remarquer une meilleure impression dans la reproduction de l'ambiance de la salle. Ce type de traitement, où les modifications sont apportées au signaux de sommation et de différence plutôt qu'aux signaux gauche et droit, a été proposé par Blumlein 10. On commence seulement à redécouvrir les vertus d'un traitement stéréophonique essentiellement symétrique: une modification à la sommation ou à la différence va toujours se répercuter de manière identique dans le canal gauche et droit. On ne se surprendra pas que le type de «correction spatiale» 54, proposée Griesinger, est similaire au traitement de signal que l'on retrouvait dans la technique de production Stereosonic 15. Utilisée dans les années cinquante et soixante par la compagnie EMI, Stereosonic était la version commerciale du brevet de Blumlein, proposé par ses anciens collaborateurs 52.

Les recherches de Blumlein et Griesinger ont aussi trouvé écho chez la Hughes Aircraft. Cependant, si Griesinger suggérait une correction spatiale statique, le Sound Retrieval System (SRS) de la Hughes applique une correction spatiale dynamique, c'est-à-dire qui varie en fonction du signal stéréo qui lui est alimenté 64. Le signal stéréophonique gauche et droit est tout d'abord recomposé en sommation monophonique et en différence stéréophonique. Le SRS procède ensuite à une analyse des signaux pour déterminer la quantité de traitement à appliquer. Il y a peu d'informations dans la littérature sur cette partie du système, mais on peut présumer que l'analyse se fait à partir de paramètres fixes: on regarde proportionnellement l'amplitude de la sommation et de la différence pour toute la bande passante et pour des secteurs fréquentiels en particulier. On modifie alors les amplitudes de certaines plages de fréquences susceptibles de créer une bonne impression spatiale. Pour la reconstruction du signal stéréo gauche et droit, on laisse à l'utilisateur la possibilité de modifier, à l'intérieur de certaines limites, le ratio entre la sommation mono et la différence stéréo. Le Bedini Audio Spatial Environment (B.A.S.E.) fonctionne exactement sur le même principe que le SRS. À un point tel que les commandes sur les appareils SRS et B.A.S.E. sont similaires, pour ne pas dire identiques 53. Ces deux systèmes deviennent particulièrement intéressants dans des situations où les enceintes acoustiques sont proches l'une de l'autre. Les correcteurs spatiaux procéderont à une augmentation de l'impression spatiale du signal stéréophonique. De là à affirmer qu'il s'agit de reproduction sonore tridimensionnelle, comme le prétendent les prospectus des deux compagnies, il y a un monde.

Un autre traitement post-captation qui a fait l'objet d'une redécouverte récente est la «conversion Blumlein» 52. Ce traitement consiste à convertir la différence inter-canal de phase d'une captation non coïncidente en différence intercanal d'amplitude. Le principal effet de cette conversion est de rendre plus compatible l'écoute sur enceintes acoustiques d'une captation non coïncidente 10. On peut donc conserver les avantages des captations non coïncidentes, notamment l'utilisation de microphones omnidirectionnels, et partiellement éliminer leurs inconvénients, comme la sommation monophonique aux caractéristiques sphériques variables selon la fréquence. Remarquons que la conversion Blumlein s'opère dans les deux directions: on peut aussi convertir une différence intercanal d'amplitude en différence intercanal de phase.

4.3 Systèmes électroacoustiques à plusieurs canaux d'information

Les systèmes de reproduction à plusieurs canaux ont encore comme ancêtre les expérimentations de Blumlein. Il stipule clairement dans son brevet que les «deux canaux de transmission»10 de la stéréophonie ne doivent pas nécessairement alimenter que deux enceintes acoustiques et introduit ainsi le concept de matrice de diffusion adaptée aux particularités de l'installation électroacoustique de chaque lieu de reproduction. Comme pour le reste de ses idées, ce concept va dormir pendant une vingtaine d'années et ce n'est que dans les années cinquante que le scandinave Lauridsen 57 testera plusieurs modèles de diffusion, notamment un qu'on pourrait qualifier de M-S. Il utilisait effectivement des haut-parleurs reprenant les caractéristiques sphériques des microphones d'une captation M-S avec une disposition similaire. Le haut-parleur monophonique était placé directement devant l'auditeur. Derrière ce haut-parleur et placé perpendiculairement, un haut-parleur dipolaire (bidirectionnel) diffusait la différence stéréo. Ces deux haut-parleurs pouvaient être combinés dans la même enceinte. La tentative ne fut pas très fructueuse, mais elle eut au moins le mérite de considérer le signal stéréophonique comme étant la combinaison de la sommation monophonique et de la différence stéréophonique. Tout comme Blumlein, Lauridsen soulignait les possibilités offertes par le matriçage des canaux.

À la fin des années soixante et au début des années soixante-dix, l'intérêt pour le matriçage reprenait. David Hafler propose une méthode simple pour améliorer la reproduction de l'impression spatiale avec un signal stéréophonique conventionnel 92. Il suggère d'extraire la différence des deux canaux et de l'envoyer à une seconde paire d'enceintes acoustiques en les branchant en série sur les bornes positives de l'amplificateur. Ces enceintes acoustiques seraient disposées à l'arrière de l'auditeur. En principe, cette disposition améliore l'impression spatiale, mais la qualité du résultat dépend uniquement de l'enregistrement écouté, puisqu'on ne contrôle aucune variable. Le signal sonore provenant de l'arrière peut être intéressant, mais le rapport d'amplitude entre l'avant et l'arrière peut être inadéquat. Ce rapport dépend alors de l'efficacité propre de chaque paire d'enceintes acoustiques. Une façon de contourner le problème est que le signal de différence stéréo soit traité par un deuxième amplificateur. On pourra ainsi contrôler de manière indépendante le volume des deux paires d'enceintes acoustiques. Par ailleurs, des tests ont été effectués où les enceintes acoustiques supplémentaires étaient à l'avant et les sujets ont noté dans la majorité des cas une amélioration au niveau de l'impression spatiale par rapport à la stéréophonie conventionnelle 92.

La principale objection que l'on peut soulever par rapport à la méthode Hafler est que l'ajout de la différence stéréo se fait au détriment de ce que l'on pourrait appeler l'égalité stéréo, c'est-à-dire l'information identique dans les deux canaux. En somme, il y a modification du mixage de l'enregistrement. Le résultat pratique est que dans les enregistrements de musique pop, on perd globalement de l'amplitude sur la voix principale, la basse, certains instruments de percussion ou tout autre son situé au centre. Notons toutefois que certains appareils actuellement disponibles sur le marché utilisent depuis longtemps le changement de ratio entre la sommation mono et la différence stéréo: les lecteurs de disques compacts et préamplificateurs Carver et les enceintes acoustiques Polk notamment.

Le début des années soixante-dix a aussi vu la malheureuse aventure de la quadriphonie. Ou est-ce quadraphonie? Tétraphonie? Voilà, chaque compagnie y allait de sa proposition avec une façon de capter le son, une façon de l'encoder en deux canaux et une façon de le décoder en quatre. La seule constance restait l'utilisation de quatre microphones directionnels à la captation et de quatre enceintes acoustiques à la reproduction. Le SQ de CBS, le QS de Sansui, le CD-4 de JVC et UD-4 de Nippon Columbia (Denon) sont quatre systèmes qui ont eu une très courte vie 30. Malheureusement, l'idée directrice de tous les systèmes, à l'exception du UD-4, était que le son devait toujours être positionné par un maximum de deux enceintes acoustiques. Appelée en anglais pair-wise mixing46, cette technique était une extrapolation bête de la stéréophonie conventionnelle et, combinée avec les matrices d'encodage, rendait la reproduction instable en faisant qu'un son en déplacement sautait d'une enceinte à l'autre. Un autre des problèmes de la quadriphonie était sa limitation par le support de l'époque, le disque de vinyle. Les techniques de matriçage utilisées pour insérer quatre canaux dans un sillon à deux côtés exigeaient que l'information des canaux arrières soit en quelque sorte un résidu de l'information des canaux frontaux, essentiellement de la réverbération, pour rester compatible avec une pointe de lecture conventionnelle 2. Quoiqu'il en soit, le SQ et le QS ont par la suite donné naissance au Dolby Stereo et Dolby Surround 30.

4.3.1 Le Dolby Stereo et le Dolby Surround

Officiellement introduit en 1975, le système multicanaux Dolby Stereo a été tout d'abord conçu pour les salles de cinéma. Il y a plusieurs variations du Dolby Stereo selon les productions cinématographiques dans lesquelles il est utilisé, mais le système de base est constitué de quatre canaux identifiés comme suit: gauche, centre, droit et surround17. Les trois premiers canaux alimentent chacun une enceinte acoustique derrière l'écran et le canal surround alimente généralement un ensemble d'enceintes acoustiques ceinturant la salle. C'est un système bidimensionnel avec une distorsion spatiale volontairement accentuée vers l'avant, pour donner le maximum de précision dans le positionnement des sons ayant une relation directe avec l'image. Le canal central véhicule presque exclusivement les dialogues. Compte tenu des caractéristiques d'émission du signal surround dans le Dolby Stereo quatre pistes, le positionnement spatial précis des sons au-delà de l'écran n'est pas possible et n'est pas jugé indispensable.

Conséquemment aux limites de l'inscription sonore optique analogique sur pellicule cinématographique 35 mm, il a fallu développer une matrice d'encodage des quatre canaux en deux canaux. Comme toutes les matrices d'encodage, elle fonctionne en introduisant d'abord à l'encodage des modifications préétablies d'amplitude et de phase à certains canaux. Les canaux ainsi modifiés sont alors mixés dans d'autres canaux non modifiés. On récupère au décodage le nombre original de canaux en appliquant l'inverse des modifications d'amplitude et de phase 78. Ainsi, dans la matrice du Dolby Stereo, le canal central est atténué de 3 dB pour être ensuite mixé également dans les canaux de gauche et de droite. Le canal surround est aussi atténué de 3 dB, mais est mixé dans les canaux de gauche et de droite avec une inversion de phase. Cette inversion de phase est obtenu par une différence de phase de -90° dans le canal gauche et de +90° dans le canal droit, pour une différence de phase totale de 180° 17. Le moyen d'obtenir de telles différences de phase de 90° sur une large bande de fréquences est connu depuis environ les années cinquante 1.

La matrice d'encodage du Dolby Stereo est désignée comme étant une matrice 4:2:4. Ce qui veut dire qu'au moment de l'inscription sur le support, on prend quatre canaux que l'on réduit à deux, pour ensuite revenir à quatre au moment de la reproduction. Il n'y a toutefois pas de miracle; cet encodage réduit grandement la séparation entre les canaux spatialement adjacents. En effet, avec une matrice 4:2:4 utilisant uniquement un encodage par amplitude ou par phase, la séparation maximum possible sera de 3 dB. Si la matrice utilise pour chaque canal modifié un encodage par amplitude et par phase, la séparation maximum possible entre canaux spatialement adjacents sera de 4,8 dB 78. Même si la matrice d'encodage du Dolby Stereo utilise l'amplitude et la phase, elle n'en fait pas une utilisation combinée dans chaque canal modifié: la séparation entre canaux adjacents restera donc de 3 dB 17.

Ce mauvais rendement de séparation explique pourquoi le décodeur Dolby Stereo utilisera un ensemble de correctifs électroniques pour augmenter la séparation. On identifie d'abord les sons dominants et les sons non dominants par un système basé sur les différences relatives d'amplitude. Le logarithme du signal de chaque canal est dérivé et soustrait des autres, produisant ainsi un voltage de contrôle logarithmique 17. Les sons avec le plus d'amplitude, les dominants, sont alors renforcés à leur position azimutale d'origine par un processus d'annulation de la diaphonie par inversion de polarité dans les canaux adjacents. Les sons qui ont moins d'amplitude, les non dominants, sont distribués dans les canaux adjacents au canal du son dominant. En donnant la priorité au son dominant, un tel système peut engendrer des changements azimutaux non désirés sur les sons non dominants. L'effet de masquage acoustique du son dominant sur les sons non dominants contribuera à atténuer la perception de ce problème.

Par ailleurs, un délai est installé dans le signal surround, profitant ainsi de la loi du premier front acoustique. En introduisant ce délai dans le canal surround, par rapport aux canaux gauche et droit, on créé, pour tout signal commun au canal surround et au canal gauche ou au canal surround et au canal droit, l'illusion d'un azimut correspondant au canal ayant la priorité temporelle, soit le gauche ou le droit. Le canal surround est soumis à deux autres modifications qui sont strictement reliées au limites du support optique original: un réducteur de bruit de fond de type Dolby B et un filtre passe-bas avec fréquence charnière à 7 kHz 17.

Le terme Dolby Surround identifie le système équivalent au Dolby Stereo mais pour l'usage domestique. L'équipement d'encodage 4:2:4 est le même pour le Dolby Stereo et Dolby Surround. Toutefois, l'équipement de décodage domestique comporte certaines différences selon le degré d'implantation des correctifs électroniques. Ceux étant identifiés simplement par Dolby Surround sont des décodeurs dits passifs, où le canal central est éliminé au profit d'une meilleure séparation entre le canal gauche et le canal droit, pour ainsi créer une image stéréophonique plus large. Cependant, le délai dans le signal surround est préservé car son élimination aurait des effets néfastes en diminuant la dominance du champ sonore frontal. C'est d'ailleurs uniquement ce délai qui différencie le décodeur Dolby Surround passif d'un simple extracteur d'ambiance stéréo d'inspiration Hafler. De leur côté, les décodeurs domestiques identifiés par l'appellation Pro-Logic reprennent pour l'essentiel les modifications et les traitements de signal que l'on retrouve dans les modèles Dolby Stereo professionnels pour les salles de cinéma.

Le Dolby Stereo est un système d'abord conçu pour créer un champ sonore accompagnant un média visuel sur écran; c'est ce qui explique l'importance accordée à la localisation précise dans le quadrant avant. De plus, puisque c'est un système où l'encodage 4:2:4 est obligatoire pour la majorité des productions cinématographiques sur pellicule ou bande magnétique, il doit être, comme nous l'avons déjà mentionné, électroniquement aidé pour en soutirer la performance maximale. Toutefois, même les traitements des décodeurs Dolby Stereo et Surround Pro-Logic ont été jugés insuffisants par des professionnels de l'industrie du cinéma. Le standard de diffusion THX de Tomlinson Holman 60, de la compagnie Lucasfilm, a donc tenté de régler une partie des problèmes reliés au Dolby Stereo. Le canal surround a fait l'objet de beaucoup d'attention et on a ainsi établi des règles directrices quant à son émission optimale en salle. La sensation de l'uniformité spectrale entre toutes les enceintes de la salle était une des premières conditions à respecter pour que les enceintes surround n'attirent pas vers elles plus d'attention que nécessaire. Il fallait que les sons se déplacent sans que l'auditeur puisse identifier la nouvelle source réelle d'émission sonore. Pour assurer l'uniformité des timbres sonores entre les enceintes acoustiques frontales et les enceintes acoustiques surround, des tests ont démontré qu'il fallait en réduire le nombre et opter pour un type d'enceintes à plus large dispersion 61. Déjà, c'était une différence importante avec ce qui se pratique normalement avec le Dolby Stereo.

La deuxième lacune à laquelle il fallait suppléer était l'effet similaire au port d'un casque d'écoute, quand l'auditeur se trouve au centre de l'installation des enceintes surround : puisque les enceintes qui entourent l'auditeur émettent le même signal monophonique, le son donne l'impression d'être localisé dans la tête. De plus, si l'auditeur se déplace latéralement de seulement un mètre, le signal surround semble émaner seulement du coté le plus rapproché, détruisant ainsi la sensation d'enveloppement que les créateurs sonores veulent donner au canal surround. Il fallait trouver un moyen d'effectuer une décorrélation du signal surround. En changeant subtilement la hauteur (pitch) du signal envoyé aux enceintes de l'un des côtés de la salle, le son du signal surround ne se fusionne plus et garde ainsi son caractère spacieux 61. Évidemment, ce changement de hauteur doit rester imperceptible sur du matériel sonore aux caractéristiques tonales facilement appréciables. Ces modifications de signal, qui sont propres au système THX, s'ajoutent donc au décodage complet Dolby Stereo.

Malgré son acceptation et son utilisation mondiale, qui en font en quelque sorte un standard et qui en dit plus sur la commercialisation des innovations que sur leur valeur intrinsèque, le Dolby Stereo est fondamentalement problématique, parce qu'il n'est pas issu d'une technique microphonique précise. On assiste maintenant à un rattrapage dans ce domaine, et on expérimente ainsi quelles techniques ou quelles combinaisons de techniques de prise de son stéréophonique peuvent donner des résultats convenables avec le format Dolby Stereo/Surround.

4.3.1.1 L'encodage microphonique pour le Dolby Surround

Idéalement, nous croyons qu'un système de reproduction, quel qu'il soit, doit être basé sur un système de captation acoustique par microphones qui encodera directement l'information sonore dans les spécifications de ce système. Ce principe avait été mis de l'avant par Blumlein 10. En effet, il proposait dans son brevet une matrice d'encodage bidimensionnel vertical 2:2:4 en utilisant directement les microphones pour l'encodage. Contrairement à la matrice 4:2:4 du Dolby Surround, la matrice 2:2:4 de Blumlein, si elle était utilisée pour un encodage bidimensionnel horizontal, ne serait pas compatible avec une écoute stéréophonique non décodée. Cependant, le principe, qui est d'après nous primordial, a survécu.

En tentant de s'inspirer de l'expérience en stéréophonie conventionnelle, nous voilà donc à faire du rattrapage avec le Dolby Surround pour trouver un assemblage de microphones qui respectera le plus possible les paramètres d'encodage déjà établis. Pour ce qui est des canaux frontaux, la principale difficulté est d'encoder une image large malgré l'utilisation d'une enceinte acoustique centrale. On peut y arriver en gardant une partie de l'information respective des canaux gauche et droit exclusive à chaque canal. Deux capsules cardioïdes coïncidentes placées à 180° l'une de l'autre et à 90° par rapport au centre de l'image respectent ce critère, puisque l'axe nul de sensibilité de captation de chacune se trouve dans l'axe maximum de l'autre 17. Le problème est que la sommation monophonique de ces deux micros, donc le canal central, donne un omnidirectionnel peu discriminant des sons provenant de l'arrière. On peut envisager d'autres combinaisons de micros coïncidents, mais dans le cas du format Dolby Surround, on aboutit toujours à des résultats insatisfaisants. Dans la pratique, on se retrouve maintenant avec l'obligation d'utiliser des techniques non coïncidentes rapprochées comme l'ORTF ou la NOS. D'après ce que nous avons établi plus tôt dans ce chapitre, la distance entre les micros devrait créer, par interférence spectrale lors de la sommation mono, des micros virtuels aux caractéristiques sphériques assimilables à des micros de deuxième et de troisième ordre selon les longueurs d'onde. On dira simplement pour clore cet aspect de la discussion que lors de l'enregistrement, le monitoring alterné entre le Dolby Surround et la stéréo conventionnelle donnera la meilleure indication des techniques à employer pour obtenir une compatibilité sonore acceptable entre les deux formats 17.

S'il est difficile d'encoder le quadrant frontal directement par microphones, les techniques pour encoder le canal surround sont plus facilement performantes. Ceci s'explique simplement par le fait que le positionnement spatial précis n'est pas nécessaire dans la performance de diffusion de ce canal. Wieslaw Woszczyk, de l'Université McGill à Montréal, a proposé une méthode de captation, appelé «Enhanced Sides» 17 (ES), qui remplit adéquatement son mandat: deux cardioïdes coïncidents, à 180° l'un de l'autre et à 90° par rapport à l'axe principal de l'objet sonore, disposés au milieu, ou encore plus à l'arrière, de la salle. Cependant, la polarité d'un des micros doit être inversée. La conséquence de cette inversion sera la création d'un micro omnidirectionnel pour le canal surround , comportant ainsi un ensemble de qualités sphériques et spectrales désirables, et une intégration partielle de l'information captée par cet assemblage dans la sommation monophonique, le canal central, sous la forme d'un figure-huit virtuel. Ainsi, la sommation mono ne sera pas dépourvue de toute information spatiale, comme cela aurait été le cas si le micro arrière était un simple figure-huit avec l'axe nul dirigé vers la source.

Peter Cook propose, en complément des techniques de prise de son, quelques modifications au décodeur Dolby Surround, pour optimiser son utilisation avec du matériel strictement musical 17. Un mode «musique»17 permettrait de modifier certains paramètres du décodage. Le délai introduit dans le signal surround devrait pouvoir s'ajuster de façon continue par l'utilisateur, quitte à pouvoir l'éliminer complètement pour du matériel où le délai a été introduit à l'encodage, comme avec la technique de prise de son ES par exemple. La courbe de la pente du filtre passe-bas devrait pouvoir être ajustée par l'utilisateur; nous croyons d'ailleurs que son utilisation reste nécessaire parce que ce filtrage correspond aux propriétés acoustiques du champ diffus que le canal surround est sensé simuler ou reproduire. Cook dit clairement que le réducteur de bruit Dolby B devrait être totalement retiré du circuit; de toute évidence, son utilisation n'a plus de sens quand le matériel encodé en Dolby Surround est inscrit sur un support numérique avec plus de 90 dB de rapport signal/bruit. Par ailleurs, Cook prône, tout comme Holman 61, la décorrélation du signal surround. Cook suggère aussi, au même titre que le contrôle de balance gauche/droit, un contrôle de balance centre/surround.

4.3.2 Les processeurs numériques d'ambiance

La création d'ambiances acoustiques par processeurs numériques est une avenue couramment exploitée dans la simulation d'espaces sonores. Ces appareils jouissent présentement d'une certaine popularité, mais leur utilisation est essentiellement un palliatif aux défauts chroniques de la stéréophonie conventionnelle. Le fonctionnement de ces appareils, en dehors des variations normales d'une compagnie à l'autre, est relativement simple. À partir d'un signal stéréo, le processeur opère d'abord une conversion numérique, quoique certains modèles acceptent directement un signal numérique, et y appliquent par la suite un ensemble de modifications spectrales et temporelles suivant des paramètres acoustiques préétablis ou déterminés par l'utilisateur. Pour véhiculer adéquatement ces modifications acoustiques, et pour obtenir une reproduction optimale, le nouveau signal sera multicanaux. L'utilisation de ces processeurs implique donc nécessairement l'utilisation de plus de deux enceintes acoustiques 70. Le nombre d'enceintes acoustiques à utiliser varie selon les conceptions respectives des différentes compagnies, mais il semble y avoir une tendance pour quatre 11 ou six 56 enceintes. Considérant que le nombre de points diffuseurs est supérieur à deux, mais qu'ils occupent systématiquement le même plan, les processeurs numériques d'ambiance produisent une simulation bidimensionnelle.

Pour une installation typique à six enceintes, l'information acoustique serait diffusée à peu près de cette façon 56: les enceintes frontales diffuseraient l'information originale à peine modifiée si ce n'est un faible ajout de réverbération. Les enceintes latérales diffuseraient en majeure partie les premières réflexions, celles-ci étant responsables, au niveau psychoacoustique, de l'impression spatiale. Les enceintes arrières diffuseraient, pour l'essentiel, la réverbération. Il va sans dire que pour une simulation réussie, chaque groupe d'enceintes acoustiques ne diffuse pas uniquement un signal discret en fonction du rôle acoustique déterminé par leur emplacement: c'est-à-dire que chaque effet simulé doit être intégré à un groupe de canaux. Si ce n'est pas le cas, les effets acoustiques vont avoir un caractère beaucoup trop directionnel qui brisera l'ambiance. Nous pouvons souligner que les processeurs comportent aussi, dans la majorité des cas, des décodeurs capables de lire les signaux audios encodés en Dolby Surround; il faut alors rajouter une enceinte acoustique frontale-centrale pour respecter l'installation prescrite pour ce système.

L'utilisation de ces processeurs est plus ou moins heureuse selon les enregistrements sur lesquels on apporte les modifications. Un enregistrement déjà riche en réverbération risque de devenir une bouillie sonore indescriptible dans des mains inexpérimentées. D'un autre côté, les enregistrements de studio à l'acoustique sèche peuvent soudainement prendre vie. Mais c'est justement l'utilisation de ces processeurs, qui n'est jamais systématique, et leur manque de standardisation qui les empêcheront de devenir une composante essentielle des systèmes de reproduction sonore. Comme indiqué plus haut, chaque compagnie propose son propre nombre et sa propre disposition d'enceintes acoustiques 70, et cela sans qu'il soit toujours possible d'établir un lien conducteur dans les principes régissant ces différentes dispositions.

4.3.3 La captation et la reproduction tétraédrique

Nous l'avons vu un peu plus tôt, dès les années cinquante, il y avait de l'intérêt pour le tétraèdre comme assemblage valable de reproduction. Il a fallu toutefois attendre la fin des années soixante pour que l'on assiste en Angleterre à un regain d'intérêt et une expérimentation plus systématique de tels systèmes, y compris pour la captation. On note en effet une littérature relativement importante publiée sur le sujet au début des années soixante-dix. On y souligne notamment l'importance du plan frontal pour la qualité du réalisme dans la reproduction sonore 2239 et on remarque que la disposition en tétraèdre des microphones et des enceintes acoustiques est la base d'un système neutre de captation et de reproduction sonore tridimensionnelle 4041. Cette démarche était cependant encore handicapée par deux habitudes de production héritées de plusieurs années de travail en stéréophonie. Tout d'abord, il y avait le raisonnement que les systèmes électroacoustiques sont uniquement dédiés à la captation et la reproduction d'événements musicaux ou, du moins, relevant d'une scénographie traditionnelle. On constate ainsi que les premiers systèmes tétraédriques avait une géométrie irrégulière et introduisaient une distorsion spatiale importante en concentrant les capteurs et les émetteurs à l'avant de l'espace à capter et à reproduire 41. Ensuite, il y avait l'obligatoire analogie de position entre le microphone et l'enceinte acoustique. Pourtant, Blumlein l'avait montré quarante ans plus tôt, le nombre de microphones, de canaux de transmission et d'enceintes acoustiques ne doit pas nécessairement être identique.

Figure 4.1 Tétraèdre régulier contenu dans un cube. [D'après Craven et Gerzon 23]

Ainsi, un assemblage tétraédrique régulier, s'il était adéquat à la captation, se révélait boiteux à la reproduction quand on l'installait dans une salle d'écoute conventionnelle. Initialement préconisée par le mathématicien Michael Gerzon 42, de l'Institut des mathématiques de l'Université d'Oxford en Angleterre, la disposition tétraédrique régulière des enceintes acoustiques ne sonorisait adéquatement qu'une petite partie d'une pièce d'écoute en forme de parallélépipède. En disposant les enceintes acoustiques dans les coins de la pièce, tel que l'on peut le voir dans la figure 4.1, le volume du tétraèdre n'occupait, dans le meilleur des cas, que 33% de la pièce; laissant ainsi 66% du volume du parallélépipède 76 à l'extérieur de l'espace sonore contrôlable. Pour sonoriser complètement une pièce du type boîte à chaussures, ou du moins un espace de cette forme mais non limité par des parois solides, il aurait fallu placer les enceintes acoustiques bien au-delà de cet espace. Avec des dispositions tétraédriques irrégulières d'enceintes acoustiques, il pouvait en résulter un tétraèdre irrégulier d'un volume minimal 4,5 fois supérieur au parallélépipède de base 75. Une disposition avec le tétraèdre régulier de Gerzon créerait un tétraèdre de volume encore supérieur, posant ainsi des problèmes d'optimisation notables.

Malgré ces problèmes, la captation et la reproduction tétraédrique permettait d'encoder et de décoder toutes les caractéristiques spatiales de l'événement acoustique original. Les tests d'écoutes initiaux permettaient d'apprécier une reproduction sonore vraiment tridimensionnelle 41. Toutefois, si le tétraèdre régulier permettait une captation tridimensionnelle exempte de distorsion spatiale, il était particulièrement problématique dans son installation de reproduction. Encouragés cependant par les résultats initiaux, les Anglais poursuivirent leurs recherches en vue de développer un standard de captation tétraédrique dont le signal de transmission pourrait être reproduit par n'importe quel assemblage d'enceintes acoustiques.

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