Le son en informatique

Un peu de pratique tout d'abord ; la théorie ensuite.

On peut enregistrer des sons (musique ou voix) dans des fichiers. Il y a 3 grands types de fichiers son :
- les fichiers *.Wav : où le son est échantillonné sans compression (son brut),
- les fichiers *.Mp3 : (ou Ogg) son échantillonné comprimé (beaucoup moins lourd que le précédent, 12 fois moins environ),
- les fichiers *.Midi : musique de synthèse, la plupart du temps de sonorité médiocre (fichiers très légers, squelettiques).

Ecoute
Pour écouter un fichier son de type Wav, il faut disposer d'une carte son quelconque. 
Pour ceux de type Mp3 ou Midi, il est nécessaire, en plus, que la carte son accepte ce type de fichier ou bien que vous disposiez d'un logiciel capable de transformer ce type de son en musique wav (brute).
La carte son, parfois perfectionnée, est présente dans presque tous les PC actuels. De nombreux logiciels, même gratuits, sont capables de lire les fichiers Mp3, ou même Midi. Il y est rarement difficile d'écouter de la musique.
Windows dispose d'une véritable usine à gaz pour écouter les sons : Windows-Media-Player. Vous pouvez les écouter égale–ment avec Irfan (tous fichiers), VideoLan (VLC), Audacity (ces deux derniers n'acceptent pas les fichiers Midi).
Les fichiers Midi sont les plus difficiles à lire. Leur qualité musicale est médiocre, sauf si votre carte son est dotée d'une table d'ondes de haute qualité : elle utilise des sons enregistrés à partir d'instruments réels (orgue, piano, violon, bois, etc.).

La table de régie
Avant d'enregistrer des sons (voix, chants, musique ...), il faut disposer d'un accès facile à la table de régie du PC (dite aussi mixing board, table de mixage, Play control ou Record control). Pour cela, il faut placer son icône dans la barre des tâches. Par exemple avec Windows XP, procéder ainsi :
Menu Démarrer ® Paramètres ® Panneau de configuration ® Sons et périphériques audio ® Volume ® Volume du périphérique, cocher  Placer l'icône de volume dans la barre des tâches.
Avant d'enregistrer, double clic sur cette icône (dessin de haut-parleur dans la barre des tâches, à droite), vérifier si vous êtes en Enregistrement (Record en anglais) ; sinon, modifier le type avec Options ® Propriétés.
Vous devez pouvoir accéder au réglage de toutes les sources sonores accessibles : micro, lecteur optique (souvent appelé CD Audio), Ligne (ou Line, signaux électriques arrivant sur une prise de la carte son, venant par exemple d'une chaîne de musique, ou d'un poste de radio ou de télé). 
Une pseudo-source intéressante : What U year (ce que vous entendez). Quand elle est sélectionnée, vous êtes sûr d'enregistrer ce que vous entendez sur les (petits) haut-parleurs (HP) du PC, par exemple de la musique jouée sur Internet.
Dans cette table de régie, sélectionner ou non la ou les sources à écouter ou à enregistrer et ajuster leur niveau.

Enregistrement
La carte son dispose toujours du matériel indispensable pour convertir les signaux électriques analogiques (ceux d'un chaîne,  d'un micro, de la radio, ...) en signaux numériques. Elle échantillonne ces signaux et les numérise.

Pour enregistrer, ouvrer Audacity ; repérer les boutons de commande en les survolant avec la souris : bien noter celui d'enregistrement, celui de pause et celui d'arrêt.
Choisir la source sonore. Par exemple, What U Year. Faire d'abord un essai.
Quand vous entendez un son dans les HP, cliquez sur le bouton d'enregistrement et vérifiez les niveaux : le vu-mètre rouge en haut à droite doit s'agiter jusque vers -10 dB au moins. Des dessins d'ondes doivent remplir la plage d'enregistrement (si mono) ou les deux (si stéréo, partie centrale gris clair) et sans saturer (sans toucher le "plafond").
Après réglage, arrêter. Passez en lecture. Vérifier que tout est audible. Cliquer sur Nouveau, sans sauvegarder.
Cliquer sur Démarrer, puis faire signe au musicien de démarrer ou bien mettez en route la source sonore.
On peut enregistrer pendant plusieurs heures, mais le fichier produit sera très gros. Sauvegarder. Vous pourrez le relire.
Pour réenregistrer partie ou tout d'un disque optique de salon, il faut d'abord l'extraire (avec un extracteur ou ripper).

Sauvegarde
On peut sauvegarder un enregistrement Audacity sous 3 formats.
- Format Audacity (menu Projet, pas de conversion, fichier lourd, en réalité un répertoire, lisible seulement par Audacity).
- Format Wav (menu Exporter en Wav) : fichier normalisé, lourd, qu'on peut, via la procédure adéquate, graver sur un disque optique lisible à la fois sur un lecteur de salon (chaîne haute fidélité) et sur un lecteur optique de PC.
- Format Mp3 (menu Exporter en Mp3) : fichier bien plus léger, non lisible par les lecteurs de salon classiques (sauf cas particulier), lisibles par le matériel informatique ou par certains lecteurs, dits Mp3, comme les baladeurs. Pour convertir en Mp3, il faut disposer d'un programme spécial gratuit, Lame, à télécharger sur Internet (si on ne l'a pas encore).

Les fichiers Mp3 se gravent comme tout fichier informatique. Par contre, pour créer un disque audio (lisible sur lecteur de salon), il faut disposer de fichiers Wav et utiliser, dans votre logiciel de gravure, la procédure Disque audio.

Corrections
On peut procéder à plusieurs types de corrections avec Audacity.
- Supprimer une partie de l'enregistrement, par exemple le début si la source de son a démarré bien après votre démarrage.
- Modifier l'amplitude (ou niveau) du son sur tout ou partie de l'enregistrement (on peut ainsi supprimer un parasite).
Pour cela, sélectionner la partie à modifier en traînant la souris par dessus, puis appliquer la modification (menu Effet).

Un peu de théorie
Le son est une vibration mécanique : vibration d'une partie d'un instrument de musique (anche, tuyau, corde ...), ou vibration de cordes vocales, puis vibration de l'air (qui vous transmet le son) et vibration du tympan (qui vous révèle le son) ...
On parle également d'onde sonore, parce que le son se propage de proche en proche (si le milieu est élastique).
La caractéristique essentielle d'un son est sa fréquence, qui est l'inverse de sa période, durée au bout de laquelle tous les éléments vibrants retrouvent la configuration de départ (par exemple la position).
Par exemple, la fréquence du diapason actuel est de 440 Hz (hertz ou cycle/seconde). Il vibre donc 440 fois par seconde.

Le microphone transforme ces vibrations mécaniques en signaux électriques alternatifs de même fréquence.
Un son pur est un son dont la vibration se traduit par une fonction mathématique simple, la sinusoïde. Joseph Fourier a montré que tous les sons pouvaient être décomposés en une superposition de sons purs, le plus important étant le fondamental, les autres des harmoniques (sons dont la fréquence est un multiple de celle du fondamental).

L'oreille humaine perçoit, selon les individus, au maximum les sons compris entre 50 Hz et 20 000 Hz (on parle de bande ou de spectre audible). Mais peu de personnes les perçoivent au-delà de 10 000 Hz (ou 10 kHz). Au delà de 20 kHz, les sons s'appellent ultrasons (ils peuvent être perçus par des animaux, par ex. les chiens, les chauves-souris ...) et, en deçà de 50 Hz, ils s'appellent infrasons (ils sont perçus par certaines personnes, non avec l'oreille, mais avec le diaphragme ...).

Tous les systèmes de transmission du son le déforment plus ou moins, et d'abord, parce qu'ils ont une bande passante limitée. Ainsi, la téléphonie classique ne transmet que la bande 100-3000 Hz (d'où sa sonorité métallique) ; la radio FM monte jusqu'à 15 kHz ; les disques optiques (souvent appelés laser) jusqu'à 20 kHz.

Un autre type de déformation est provoquée par l'infidélité du système : une transmission est fidèle quand les niveaux sont tous reproduits de manière proportionnelle entre eux (en mathématique on parle de linéarité). Aucun système de traitement du son n'était parfaitement fidèle avant l'apparition des techniques numériques.

Voici une explication simplifiée : à un instant donné, un son peut avoir un niveau – une pression – de x millibars dans l'air. Un micro le transformera par exemple en 1,35 millivolts (1,35 mV). Un amplificateur en fera un signal de 13,5 volts mais, le lendemain, un signal de 13,2 ou de 13,6 volts s'il n'est pas hautement fidèle. Ces appareils utilisent des techniques analogiques, parce qu'ils transforment des signaux électriques par un facteur multiplicatif qui n'est pas très stable.

Depuis l'apparition du disque optique (ou laser, ou CD), on utilise des techniques numériques : un son de 1,35 mV produit par un micro est traduit par un nombre, par exemple 270 (20 fois la valeur du signal en mV). C'est ce nombre qui est codé dans le disque sous forme d'un nombre binaire (composé uniquement de 0 et 1). La qualité des appareils numériques n'est pas infinie, mais jamais un chiffre 1 ne sera converti en 0 ou vice-versa ; la fidélité est donc garantie. On peut reproduire le disque, le copier de nombreuses fois, copie sur copie : il restera toujours identique (sauf défaillance grave du copieur).

Pour utiliser les techniques numériques, il faut d'abord passer par un convertisseur analogique-numérique (qui n'est, lui, jamais parfaitement fidèle). Il y en a un dans la carte son de votre PC. Ce convertisseur assure deux fonctions :
- l'échantillonnage du son. L'échantillonneur prélève x fois par seconde la valeur instantanée du son et en fait un échantillon d'une durée très courte. C'est exactement comme dans votre APN ou dans votre bélino (scanner), lesquels prélèvent de place en place un échantillon du paysage (ou de l'objet) vu par l'appareil : du continu, on fait du discontinu.
- le codage numérique de l'amplitude (la hauteur) des échantillons en leur affectant un nombre qui, par la suite, ne sera plus modifié. Il y a là une légère perte d'information puisque ce codage est discret, c'est-à-dire, si l'on veut, en marches d'escalier : un échantillon de 1,35 mV sera traduit par la valeur 270, tout comme un autre de 1,3501 mV ou un de 1,3499 mV. On perd en précision, mais on arrange la marche pour que l'imprécision introduite ne soit pas perceptible.

Dans les partitions de musique, le niveau des notes est codé de manière peu précise : on passe du pianissimo au fortissimo par au plus 12 nuances, mais l'exécutant peut moduler ces indications de manière beaucoup plus fine. Il est toutefois douteux que l'oreille perçoive plus de 250 valeurs de niveaux sonores. Cependant, depuis l'apparition des disques optiques, on a décidé de coder les échantillons par 16 bits ou 2 octets ; cela veut dire que leur niveau peut prendre 256´256 = 65 536 valeurs. L'imprécision qui en résulte n'est vraiment pas significative.

La quantité d'information produite par le convertisseur analogique-numérique est très importante. A la suite des travaux de Shannon, on a décidé, en ce qui concerne les disques optiques de salon, de coder les sons à raison de 44 100 fois par seconde. Comme les codeurs attribuent 2 octets à chaque échantillon et qu'on fonctionne en général en stéréo, le codeur produit donc 4´44100 octets par seconde, soit 176,4 ko/s ou 10,6 Mo/min ou 635 Mo/heure. C'est pour ça que les premiers disques optiques, prévus pour contenir une heure de musique stéréo, ont une capacité de 650 Mo.

Les lecteurs optiques de salon ne connaissent qu'une vitesse de rotation, qui sert de référence. Par contre, les lecteurs optiques des calculateurs peuvent tourner beaucoup plus vite, par exemple 8 X (8 fois plus vite), 40 X ... On peut donc enregistrer avec eux une heure de musique stéréo en respectivement 7,5 minutes (60/8) ou 1,5 min (60/40). Il est cependant conseillé de ne pas utiliser de trop grandes vitesses et même de régler les graveurs les plus rapides à 4 ou 8 X.

L'informaticien peut régler son codeur à une fréquence plus faible que 44 kHz, mais il perdra en bande passante, ce qui est acceptable si on ne tient pas à la haute fidélité.

Compression : le poids des fichiers son décrits ci-dessus est donc très élevé : 635 Mo/heure. C'est effectivement celui des fichiers aux formats Wav. Heureusement, on a appliqué à ces fichiers des modes de compression voisins de ceux des fichiers images. Dans la compression la plus connue, le format Mp3, on supprime d'abord des sons de fréquence inaudible (au dessus de 15 kHz) ou peu audible (selon réglage) ainsi que ceux de trop faible amplitude, avant d'appliquer des méthodes plus classiques. Les compressions de type Mp3 ou Ogg (facteur ~12) sont des compressions avec pertes, mais elles sont très utilisées. Les fichiers Wma sont de type Mp3, mais munis par Microsoft de blocages interdisant (en principe) leur copie.

Fichiers Midi. Il s'agit là d'un codage du son analogue à ce qu'est la partition de solfège à un morceau de musique : un codage extrêmement lâche, à partir duquel l'exécutant et son instrument vont ajouter des enrichissements considérables. Les fichiers midi (très légers) sont destinés à des synthétiseurs ou à des cartes son possédant des tables d'ondes capables de donner des sonorités agréables à des informations très rudimentaires.
P. Blanc, décembre 2009