Chambres de réverbération miniatures : Mémoire de fin d'études - ENS Louis Lumière
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Mémoire de fin d’études
Section Son - Promotion 2019
Chambres de réverbération miniatures :
Réinvestissement du concept de maquettes acoustiques
pour l’élaboration d’un nouvel outil de réverbération
temps réel
Soutenu le 17 juin 2019 par Kevin Delcourt
Directeur Interne : Alan Blum
Directeur Externe : Brian F.G. Katz
Rapporteur : Laurent Millot
Organisme impliqué : Laboratoire Lutheries-Acoustique-Musique de l’institut d’Alembert
Remerciements
Je tiens particulièrement à remercier :
- Alan Blum, pour l’enthousiasme porté à l’égard du projet, pour m’avoir mis en
relation avec le L.A.M., et pour son encadrement m’ayant permis de rester pragmatique
dans les moments de confusion.
- Brian F.G. Katz, pour cette proposition de stage m’ayant permis d’avoir des
conditions privilégiées pour la réalisation de mon mémoire, et pour l’encadrement tout
autant privilégié qu’il m’a offert.
- David Poirier Quinot, David Théry et Antoine Weber, pour leur disponibilité,
leur bienveillance, et la mise à contribution de leur expérience m’ayant apporté les
éléments de réponse parfois manquant à la concrétisation de mon projet
- Franck Zagala, qui par son indescriptible caractère passionné et son expertise a
rendu possible la fonctionnalité du projet. La pédagogie qu’il a témoigné à mon égard
a été d’un soutien absolument moteur durant ce stage, car elle m’a fourni des repères
méthodologiques fondamentaux et a considérablement enrichi mon champ de
connaissance en acoustique et traitement du signal.
- Louise Buchart pour avoir relevé avec clairvoyance la légitimité du projet lors
des séminaires de troisième année.
- Mohammed Elliq pour ses conseils et pour avoir pris le temps de répondre à mes
questions concernant l’électro-acoustique.
- Toutes les personnes qui ont pris le temps de me témoigner du soutien durant
ces quatre mois de recherches.
2
Résumé
Dans les années 1950, la naissance des premières chambres de réverbération a impulsé, en
particulier dans le secteur de la production musicale, un grand engouement pour les effets de
réverbération. Néanmoins devenues assez vite peu compétitives face à l’apparition de nouveaux
outils analogiques et numériques de simulation de la réverbération, notamment à cause des
contraintes spatiales qu’elles imposent, elles ont progressivement été délaissées par la plupart
des domaines de création sonore.
L’existence de protocoles d’études acoustiques fondés sur l’emploi de maquettes de salle à
échelle réduite nous a amené à envisager l’application de ce concept aux chambres de
réverbération et donc de reconsidérer leur utilisation dans des formats miniatures et donc plus
facilement modulables.
Ce travail propose donc d'étudier la viabilité d’un tel réinvestissement, en particulier dans le
cadre d’un nouvel outil de réverbération fonctionnant en temps réel, afin d’apporter aux
utilisateurs une potentielle expérience ludique de façonnage d’un effet de réverbération.
Mots clés : chambre de réverbération, temps réel, acoustique architecturale, traitement du signal,
maquette.
3
Abstract
In the 1950’s, first echo chambers gave rise to a keen interest for reverb effects especially in
music industry. Nonetheless, emergence of new analog and digital reverb simulation tools made
them quite uncompetitive because of the spatial constraints that they create. For this reason,
they have gradually been neglected by most areas of sound creation.
On top of that, the existence of acoustic study protocols based on room acoustic modelling
techniques led us to consider the application of this concept to echo chambers so that we can
reconsider their value in artistic domain. With more miniature dimensions these echo chambers
would be absolutely easier to modify.
This report therefore proposes to study the viability of such a reinvestment especially in the
interest of a real-time reverberation tool, in order to provide a playful experience of shaping a
reverberation effect.
Keywords: echo chambers, real-time, architectural acoustics, signal processing, scale models.
4
REMERCIEMENTS .................................................................................................................................... 2
RESUME ...................................................................................................................................................... 3
ABSTRACT ................................................................................................................................................. 4
INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 7
CHAPITRE 1 – ÉTAT DE L’ART DES OUTILS DE REVERBERATION .......................................... 8
1.1 RAPPELS RAPIDES SUR LA REVERBERATION ................................................................................... 8
1.1.1 Approche en physique .................................................................................................................. 8
1.1.2 Approche en traitement du signal .............................................................................................. 8
1.2 ANCRAGE DE LA REVERBERATION DANS LA CULTURE ................................................................... 9
1.2.1 Adaptation et appropriation de la réverbération par l’homme............................................... 9
1.2.2 Façonner la réverbération par les sciences : l’acoustique architecturale ........................... 12
Modèles physiques .................................................................................................................................................. 12
................................................................................................................................................................................... 13
Maquettes acoustiques ........................................................................................................................................... 14
1.2.3 Façonner la réverbération à postériori voire la simuler : la post-production .................... 15
Le cas des chambres de réverbération ................................................................................................................. 16
Les réverbérations artificielles mécaniques .......................................................................................................... 17
Les réverbérations artificielles numériques .......................................................................................................... 19
1.3 SYNTHESE DES OUTILS DISPONIBLES ET PROPOSITION ................................................................. 23
CHAPITRE 2 – DEVELOPPEMENT D’UN OUTIL DE REVERBERATION BASE SUR LES
MAQUETTES ACOUSTIQUES ............................................................................................................... 25
2.1 CAHIER DES CHARGES ENVISAGE .................................................................................................... 25
2.1.1 Latence ......................................................................................................................................... 25
2.1.2 Paramètres contrôlables............................................................................................................. 25
2.1.3 Taille des maquettes ................................................................................................................... 26
2.1.4 Interface Graphique .................................................................................................................... 26
2.1.5 Équipements nécessaires ............................................................................................................ 27
2.1.6 Qualité sonore ............................................................................................................................. 27
2.1.7 Schéma d’architecture ................................................................................................................ 28
2.2 ÉTABLISSEMENT D’UN MODELE THEORIQUE .................................................................................. 29
2.2.1 Validité du principe de réduction d’échelle ............................................................................. 29
2.2.2 Conséquences sur le temps de réverbération .......................................................................... 31
2.2.3 Difficulté principale pour le temps réel ................................................................................... 36
2.2.4 Solution envisagée....................................................................................................................... 37
Mise en forme du signal ultrasonique à envoyer à l’intérieur de la maquette................................................ 37
Reconstruction du signal – Méthode Overlapp-add ........................................................................................... 38
Précaution à respecter concernant la taille de la mémoire tampon ................................................................. 40
Restitution du signal final ..................................................................................................................................... 42
Vérification du modèle théorique dans Matlab .................................................................................................. 42
2.3 IMPLEMENTATION DANS MAX ......................................................................................................... 43
2.3.1 Premières tentatives – Max, une impasse ? ........................................................................... 43
2.3.2 Environnement gen~ : vers une première version « codée en dur » de l’algorithme ........ 45
Orchestration des opérations d’écriture et de lecture par un compteur ......................................................... 46
Transposition fréquentielle du signal d’entrée vers la maquette – Opérations dans 2Buf_in ..................... 49
Implémentation dans Max de la méthode overlap-add - Opérations dans Buf_maq ................................... 51
2.3.3 Algorithme Final – Ajout des paramètres d’entrée ............................................................... 55
2.3.4 Interface Graphique .................................................................................................................... 57
5
CHAPITRE 3 – MISE EN PRATIQUE DU DISPOSITIF, RESULTATS ET ANALYSE CRITIQUE
.................................................................................................................................................................... 59
3.1 CONFORMITE DE L’ALGORITHME AUX ATTENTES....................................................... 59
3.1.1 Flexibilité du facteur d’échelle .................................................................................................. 59
3.1.2 Modification des paramètres en temps réel ............................................................................ 60
3.1.3 La question du bruit de fond ..................................................................................................... 61
3.1.4 Retour critique sur la latence ................................................................................................... 63
3.2 FACTEURS LIMITANTS DU DISPOSITIF ............................................................................................ 64
3.2.1 Comportements des équipements .............................................................................................. 64
Réponses en fréquence............................................................................................................................................ 64
Noise Shaping .......................................................................................................................................................... 69
3.2.2 Absorption du milieu .................................................................................................................. 71
3.2.3 Parasites ultrasonores environnants ........................................................................................ 72
3.3 PERSPECTIVES DE L’OUTIL ET DETOURNEMENTS POSSIBLES ....................................................... 73
3.3.1 Souhait initial – Représentation réaliste ................................................................................. 73
3.3.2 Approche intuitive et ludique du dispositif .............................................................................. 74
3.3.3 Étendre le temps de réverbération d’une salle existante ....................................................... 76
CONCLUSION ........................................................................................................................................... 77
BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................................................... 78
TABLES DES FIGURES .......................................................................................................................... 80
ANNEXES .................................................................................................................................................. 82
ANNEXE 1 – SCRIPT DE VERIFICATION DU MODELE THEORIQUE DANS MATLAB .................................... 82
ANNEXE 2 – LIEN VERS LA CHAINE YOUTUBE ............................................................................................ 83
ANNEXE 3 – PATCH GLOBAL......................................................................................................................... 84
ANNEXE 3 – PATCH [GEN~] ............................................................................................................................ 85
ANNEXE 3 – PATCH [POLY~] .......................................................................................................................... 85
ANNEXE 3 – PATCH [GEN~] IN [POLY~] ......................................................................................................... 85
ANNEXE 4 – PHOTOS DE LA MAQUETTE 1:50 DU DAMASCUS OPERA HOUSE ........................................... 86
......................................................................................................................................................................... 86
......................................................................................................................................................................... 86
ANNEXE 5 – SCRIPT MATLAB DE MESURES ................................................................................................. 89
6
Introduction
A l’heure actuelle, il existe un très vaste panel d’outils aussi bien analogiques que numériques
permettant le traitement audio, c’est-à-dire la modification des caractéristiques d’une source
sonore à des fins qui peuvent relever de problématiques purement techniques (adaptation du
signal à un contexte particulier, correction de défauts, …) mais également de problématiques
plus artistiques (mise en forme du signal pour répondre à un projet esthétique).
En particulier, lorsque l’on s’intéresse à la question de la spatialisation du son, les outils de
réverbération demeurent incontournables tant ils permettent d’inscrire efficacement une source
dans un environnement acoustique. Dans les contextes artistiques, ces outils se révèlent donc
précieux de par le potentiel qu’ils détiennent de conditionner notre perception d’une source
sonore, ce qui a particulièrement motivé leur prolifération au cours des soixante dernières
années. On a donc aujourd’hui un catalogue très dense de traitements de réverbération, mais
chacun d’entre eux détient une certaine singularité dans la manière dont il oriente les
interactions permises entre lui et l’utilisateur et donc dans la manière dont il délimite le champ
des possibles lors de son emploi dans un processus créatif.
A ce propos, la plupart des outils de réverbération proposent un cadre d’interactions (entre
l’utilisateur et les résultats du traitement audio donc) qui est régi par une interface soit sous
la forme d’un logiciel soit sous celle d’une machine électronique. Dépasser ce cadre pourrait
constituer une approche différente de ces outils, et s’avérer potentiellement intéressant dans un
contexte artistique si le champ des possibles alors ouvert est suffisamment innovant. Par
exemple, un dispositif où l’expérience utilisateur repose sur une interaction physique, matérielle,
avec un espace en trois dimensions facilement modulable semble être un angle intéressant pour
le traitement audio par la réverbération, car il est proche des réalités de ce phénomène physique
(corrélé avant tout à la notion d’espace), et donc pourrait éventuellement être plus intuitif
pour l’utilisateur.
Le travail que nous présentons s’intéresse donc à cette gestion d’un effet de réverbération par
l’interaction avec un espace manipulable dont le résultat acoustique, évidemment
caractéristique de la géométrie et des matériaux de cet espace, pourrait varier en temps réel.
Ces directions nous orienteront tout particulièrement vers l’exploration du principe de
modélisation de salle dans les études acoustiques puisqu’il y est question de représenter les
espaces dans des formats plus facilement modulables (maquettes acoustiques et simulation
numériques notamment). Pour cette raison, ce mémoire s’est inscrit dans le contexte d’un stage
encadré par Brian F.G. Katz au laboratoire Lutheries-Acoustique-Musique de l’institut
d’Alembert, pendant lequel nous avons justement pu disposer de l’environnement adapté à
l’exploration des perspectives offertes par les modélisations de salle.
7
Chapitre 1 – État de l’art des outils de réverbération
1.1 Rappels rapides sur la réverbération
1.1.1 Approche en physique
Figure 1 – Réflexions d’une onde sonore par les parois d’un espace fermé (à gauche) et évolution
temporelle de la réverbération sous forme d’échogramme (à droite)
La propagation d’une onde sonore au sein d’un environnement spatial induit une certaine
quantité d’ondes dites « retour » par principe de réflexion avec les parois ou obstacles
rencontrés. En tout point M de l’espace considéré, les ondes réfléchies parviennent avec des
retards et des énergies variables par rapport à l’onde directe provenant de la source (et donc
qui se déplace selon une droite du point O d’émission de la source sonore jusqu’au point M)
dépendant de la géométrie et des caractéristiques des matériaux constitutifs de cet espace.
L’ensemble de ces retards permet de définir le temps de réverbération total du lieu considéré
ainsi que différentes fenêtres temporelles caractéristiques du phénomène de réverbération
acoustique telles que celle des premières réflexions et celle du champ diffus (Figure 1).
1.1.2 Approche en traitement du signal
D’un point de vue traitement du signal, une salle est un filtre, c’est à dire qu’elle modifie les
évolutions temporelle et fréquentielle d’un signal qu’on lui transmet et délivre un nouveau
signal en sortie. La réverbération occasionnée par une salle suite à une stimulation sonore
correspond donc à la réponse de ce filtre. Plus particulièrement, dans le cas où le signal à
l’entrée du filtre est une impulsion, alors ce dernier délivre ce qu’on appelle une réponse
impulsionnelle qui n’est non plus une impulsion, mais plutôt le résultat des modifications
temporelle et fréquentielle induites par la fonction de transfert du filtre.
8
Cette notion de réponse impulsionnelle est très importante car elle permet notamment de
caractériser l’acoustique d’une salle, et nous y ferons référence à plusieurs reprises dans la suite
de ce mémoire.
1.2 Ancrage de la réverbération dans la culture
1.2.1 Adaptation et appropriation de la réverbération par l’homme
Figure 2 – Salle des peintures de la grotte de Kapova présentant une niche sonore en bas à gauche
L’histoire de l’Humanité nous apprend que nous avons depuis toujours porté un intérêt à ce
phénomène. En effet, on retrouve des vestiges provenant du Paléolithique témoignant d’une
appropriation du principe de réverbération, mise en évidence par l’organisation structurelle
bien particulière des grottes occupées par les populations du genre Homo, organisation établie
notamment en fonction des propriétés réverbérantes des cavités ou boyaux qui la composent.
Notamment dans certaines grottes telles que la grotte de Kapova en Russie ou encore celle de
Oxocelhaya au Pays Basque (ayant respectivement accueilli Homo sapiens et Homo
neanderthalensis), des marquages à l’ocre rouge ont été retrouvés dans des boyaux précisément
à des positions où le phénomène d’ondes stationnaires dû aux modes propres de ces mêmes
boyaux est maximal1. On estime que ces marques assuraient une aide au repérage spatial à
1
Une onde stationnaire est le résultat de la propagation en sens opposé de deux ondes progressives de même
fréquence et même amplitude, qui génère un état stationnaire par alignement des maxima de la première onde avec
les minima de la seconde. Un espace en trois dimensions est donc susceptible d’occasionner ce phénomène si ses
dimensions sont proportionnelles à la longueur d’onde.
9
l’intérieur de la grotte, faisant du phénomène de réverbération ici avant tout un outil de survie
[1]. Néanmoins, l’intérêt pour ce phénomène par les populations du Paléolithique se manifeste
également par l’existence de « niches sonores ornées », zones parfois très étroites de ces grottes
où on dénote une forte corrélation entre peintures rupestres et ressenti acoustique.
Effectivement ces niches sont caractérisées systématiquement par des représentations murales
d’animaux (bisons, mammouths, rhinocéros, chevaux, …) ainsi qu’une réverbération acoustique
très singulière en comparaison avec les autres secteurs de la grotte (Figure 2). Les
anthropologues interprètent l’existence de ces niches sonores ornées en tant que lieu d’imitation
des animaux peints, par couplage entre la voix humaine et l’acoustique de la niche [2], ce qui
témoigne d’ores-et-déjà d’un usage du phénomène de réverbération par l’Homme il y a plus de
12 000 ans.
De la même façon, l’observation de civilisations plus récentes nous renseigne sur des influences
réciproques entre architecture et arts sonores, et par voie de conséquence sur l’existence d’un
désir de conquête de ce principe acoustique au profit des domaines artistiques.
Le théâtre grec antique constitue un premier exemple très représentatif de cette appropriation
de la réverbération car la géométrie particulière de cette architecture y est optimisée afin
d’assurer l’intelligibilité de la voix des acteurs sur scène pour l’ensemble du public situé dans
les gradins. Plus précisément, la profondeur de la scène généralement courte relativement aux
autres dimensions du théâtre (entre 2 et 3 mètres) ainsi que les propriétés acoustiques
particulièrement réfléchissantes du mur arrière de la scène [3], permettent d’obtenir, depuis le
point d’écoute d’un spectateur, des premières réflexions très peu retardées (de l’ordre de
quelques millisecondes) par rapport aux ondes sonores directement émises par les acteurs
(Figure 3). D’un point de vue psychoacoustique, les retards de ces réflexions étant inférieurs à
50 millisecondes, ces dernières seront perçues comme provenant de la même origine que celle
2
de l’onde directe par effet de précédence . L’intelligibilité de la voix n’est donc pas compromise
par l’acoustique du lieu, mais y est même plutôt ingénieusement améliorée puisque les réflexions
provenant du mur assurent un renfort à l’onde directe.
2
Lorsque deux sons parviennent à un auditeur avec une différence de temps inférieure à son seuil de détection
d’écho (environ 50 millisecondes), la localisation d’origine de la source sera déterminée par le son étant arrivé le
premier. Cet effet est également appelé « effet Haas » de par sa description en 1949 par Helmut Haas.
10Figure 3 – Coupe longitudinale d’un théâtre grec antique
Plus tard, ce lien étroit entre architecture et art sonore s’est réaffirmé notamment au travers
des musiques religieuses occidentales telles que le chant grégorien monodique ou la polyphonie
médiévale, musiques contextuelles qui sont donc destinées à être interprétées dans des lieux
sacrés et acoustiquement adaptés, à savoir principalement les abbayes, les églises, les basiliques
et les cathédrales. D’après le musicologue britannique Thurston Dart, les propriétés acoustiques
des bâtiments religieux orientaient d’ailleurs très manifestement la façon de composer la
musique sacrée :
" Même une étude superficielle montre que les compositeurs du passé étaient très attentifs
aux effets sur leur musique de la qualité acoustique des lieux où elle était jouée. […] La
musique de Pérotin est parfaitement adaptée à la cathédrale Notre- Dame de Paris pour
laquelle elle fut écrite. Les rythmes compliqués et les combinaisons harmoniques de l’Ars
nova du XIV siècle sont des musiques de chambre."3 [4]
Il était en donc très courant pour les compositeurs du Moyen-Âge, mais également de la
Renaissance, d’écrire des œuvres pour des édifices religieux en particulier4. Réciproquement, il
s’avère que les architectes ont tenté de concilier forme et fonction en concevant leurs édifices
selon les besoins acoustiques particuliers de leur époque [5], ce qui témoigne à nouveau d’une
volonté de maîtriser le phénomène de réverbération acoustique et donc de l’existence d’un
dialogue entre ce dernier et les processus de création sonore.
3
Thurston, D., The Interpretation of Music, New York, Harper, 1963.
4
La basilique Saint-Marc de Venise a notamment permis à des compositeurs tels que Claudio Monteverdi ou
Andrea Gabrieli de développer l’art polychoral vénitien.
111.2.2 Façonner la réverbération par les sciences : l’acoustique
architecturale
Figure 4 – Résultats des expérimentations de W.C. Sabine avec la photographie Schlieren dans une
coupe transversale du New York’s New Theatre
A la fin du XIXème siècle, le physicien américain Wallace Clement Sabine initie les premiers
travaux s’intéressant aux problèmes acoustiques posés par l’art du bâtiment. Reconnu comme
un fondateur du domaine de l’acoustique architecturale, ses recherches et expérimentations ont
notamment permis l’estimation du temps de réverbération d’une salle par le calcul, ouvrant
donc la voie à de nouvelles possibilités de maîtrise de la réverbération.
La communauté scientifique a rapidement investi ce nouveau champ de recherche, les travaux
de Sabine ont inspiré d’autres physiciens (notamment Carl F. Eyring) et par ces faits, au cours
de la première moitié du XXème siècle, la compréhension de l’acoustique des salles s’est
grandement améliorée permettant une approche plus prédictive de l’architecture d’un point de
vue sonore et donc de façonner plus précisément l’acoustique d’un lieu en fonction d’un cahier
des charges.
Modèles physiques
Malgré les avancées mathématiques évoquées précédemment, la complexité des phénomènes
acoustiques a peu à peu fait émerger la nécessité de modéliser la propagation des ondes sonores
dans un espace clos pour outrepasser les limites de l’approche théorique. Un premier pas vers
la modélisation a été réalisé à nouveau par W.C. Sabine qui, en 1913 parvient à photographier
et étudier la propagation de fronts d’ondes ultrasoniques en deux dimensions au sein de modèles
miniaturisés de plusieurs théâtres américains, notamment le Century Theatre de New York (à
l’origine connu sous le nom de New York’s New Theatre) en utilisant la technique de
photographie Schlieren développée par le physicien allemand August Toepler en 1864 [6]. Le
12protocole établi par Sabine est alors d’utiliser une section miniaturisée du théâtre étudié,
contenant un mélange d’air et de fumée, et d’y déclencher un stimulus sonore produit par
décharge d’un condensateur (et donc création d’une étincelle électrique). En éclairant fortement
la section par l’arrière, la photographie révèle alors les fronts d’onde dont la densité est plus
importante que dans le reste du milieu ce qui occasionne une réfraction de la lumière [7] (Figure
4).
D’autres expériences conduisant à la visualisation de fronts d’onde en deux dimensions ont
également été menées en utilisant d’autres dispositifs. Parmi ces derniers, on trouve
principalement les cuves à ondes, cuves contenant de l’eau dont la surface va être perturbée
par un système oscillateur générant ainsi des ondulations en deux dimensions. La vitesse de ce
système mécanique permet ainsi de contrôler jusqu’à une certaine limite la longueur d’onde λ
produite, et donc la fréquence de l’onde générée. Par projection lumineuse perpendiculaire à la
surface de l’eau, des ombres plus ou moins importantes apparaissent et on obtient une mise en
valeur des fronts d’onde (Figure 5). Ces cuves permettent de mettre en valeur des phénomènes
propres aux ondes tels que la réflexion, la réfraction ou encore la diffraction.
En outre, on peut également évoquer le déploiement à la même époque de méthodes optiques
de modélisation 2D visant à étudier le principe de réflexion et reposant pour cela sur les
analogies entre la réflexion de la lumière et celle du son par incidence avec une paroi. Le but
est donc de trouver des surfaces qui occasionnent la même quantité de réflexion pour la lumière
que ne le feraient les parois de la salle qu’on modélise avec le son (Figure 6). On peut citer
parmi ces dernières la Méthode par Faisceau Lumineux ou la Méthode par Distribution de
Lumière (respectivement (Light Beam Method et Light Distribution Method en anglais) [8].
Figure 6 – Visualisation d’ondes planes à la surface Figure 5 – Réflexions de faisceaux lumineux à
d’une cuve à ondes. Les raies sont les fronts d’ondes l’intérieur d’une section miniature de l’auditorium
espacés de λ d’Okuma
13Maquettes acoustiques
Figure 7 – Maquette à l’échelle 1:10 de la Philharmonie de Paris
Les modélisations en trois dimensions n’interviendront dans les études acoustiques qu’une
vingtaine d’années plus tard, notamment par les travaux de Friedrich Spandöck en 1934 ayant
consisté à effectuer des évaluations subjectives de réverbération dans des maquettes de salle à
l’échelle 1:5, les évaluations subjectives se basant uniquement sur l’estimation qualitative de
l’acoustique par écoute d’échantillons sonores (voix ou musique en général) contrairement aux
évaluations objectives qui sont portées sur la mesure des caractéristiques acoustiques
(principalement du temps de réverbération). Le protocole reposait en premier lieu sur la
diffusion à une vitesse de 300 tours par minute au sein d’une maquette (via un phonographe)
d’un échantillon sonore qui avait été enregistré sur cylindre de cire à 60 tours par minute. En
parallèle, l’environnement sonore de la maquette est enregistré sur un second cylindre de cire
à 300 tours par minute, puis sera restitué à la vitesse initiale de 60 tours par minute [9].
La validité de ce protocole repose sur l’application pour l’acoustique des lois de similitudes de
la mécanique des fluide établies à la même époque, que nous détaillerons plus tard dans le
chapitre 2.2.1. Il est en effet possible, comme nous le verrons, d’obtenir dans une maquette à
échelle réduite des résultats acoustiques quasi identiques à ceux qu’on aurait obtenus dans une
salle pleine échelle, et ce à partir d’une transposition fréquentielle déterminée par un scale
factor, terme que nous traduirons par facteur d’échelle. Il s’agit donc d’un outil qui se place en
tant que complément par l’expérimentation des outils théoriques mathématiques déjà
disponibles et qui a véritablement permis un bond dans la précision de prédilection de
l’acoustique d’une salle avant sa construction [10].
Cependant il faut noter qu’à partir de 1956, l’usage des maquettes à échelle réduite s’est
essentiellement restreint aux évaluations objectives, favorisant ainsi plutôt la mesure des
14caractéristiques acoustiques par l’utilisation de sources à étincelle électrique [11] et ainsi
l’obtention d’une réponse impulsionnelle de la maquette (pour plus de détails sur le procédé,
voir le chapitre 3.2.1). Dans ce cadre, si on souhaite écouter avec anticipation le rendu
acoustique d’une future salle, il est nécessaire de procéder à une étape dite d’auralisation,
s’appuyant sur les mesures obtenues pour recréer l’environnement acoustique par principe
mathématique de convolution (pour plus de détail sur la convolution, voir le chapitre 1.2.3)
[12]. Cette étape s’effectue donc sur un temps différé, ultérieur à la mesure de la réponse
impulsionnelle de la maquette.
De nombreuses salles de concert réputées aujourd’hui ont fait l’objet d’une étude préalable par
maquette à échelle réduite, comme par exemple la Philharmonie de l’Elbe à Hambourg ou la
Philharmonie de Paris (Figure 7).
Néanmoins, il faut noter que l’arrivée des outils informatiques a permis ces trois dernières
décennies de développer des méthodes de simulation logicielles très poussées. Les Bureaux
d’Étude Acoustique ont donc progressivement remplacé leurs études sur maquettes acoustiques
par ces dernières car elles sont plus faciles à mettre en œuvre dans un projet en termes de
temps et de moyens financiers [13]. Un des logiciels principalement utilisé pour réaliser ces
simulations numériques est CATT-Acoustic.
1.2.3 Façonner la réverbération à postériori voire la simuler : la post-
production
Le principe de réverbération a culturellement trouvé une place importante à mesure que les
arts sonores se sont attelés à s’y adapter ou à le maîtriser, à tel point qu’il est aujourd’hui un
acteur omniprésent dans les processus de création sonore. Un grand tournant a été marqué
lorsque sont apparues des innovations techniques introduisant la possibilité d’ajouter
ultérieurement de la réverbération a une source qui a été captée dans des conditions très peu
réverbérées voire anéchoïques, tout en maîtrisant le rapport entre son « sec » et son
« réverbéré » et en laissant envisageable à tout moment la modification de la nature de cette
réverbération. Cette volonté de pouvoir éditer, traiter, compléter un support audiovisuel après
en avoir fait la captation s’inscrit au cœur des prémices du concept de post-production, étape
de création aujourd’hui cruciale dans tous les secteurs traitant avec le son et/ou l’image.
15Le cas des chambres de réverbération
Figure 8 – Une des 8 chambres de réverbération des studios Capitol Records
Les apparitions respectives du microphone, des consoles de mixage et de l’amplification à partir
des années 1920 ont évidemment grandement contribué à cette possibilité d’ajouter de la
réverbération en post-production [14]. C’est notamment dans les studios de radio et
d’enregistrement musical que s’est initialement manifestée l’idée de pouvoir ajouter de la
réverbération à une ou plusieurs sources en ayant un contrôle sur sa nature et son dosage en
fonction du projet esthétique souhaité. Pour ce faire, le premier procédé mis en place consista
en la diffusion dans une salle de nature réverbérante d’un échantillon sonore par l’intermédiaire
d’un haut-parleur amplifié, tout en enregistrant avec un microphone le résultat délivré par le
comportement acoustique de la pièce. On appellera alors ces salles des « chambres de
réverbération ». L’idée générale de ce protocole n’est pas sans rappeler les expérimentations au
sein de maquettes à échelle réduite de Friedrich Spandöck auxquelles nous faisions référence
auparavant, à la différence près que cette fois-ci la salle utilisée n’est pas un modèle réduit.
Bill Putnam, ingénieur du son au studio de la BBC dans les années 1940, témoigne dans une
interview accordée à Peter Sutheim pour le Journal de l’Audio Engineering Society de l’une
des premières utilisations de ces chambres de réverbération :
« Nous avons fait un grand pas en avant en 1947 quand nous avons utilisé les toilettes pour hommes
du Civic Opera de Chicago en tant que chambre à réverbération. […] Nous avons fait un enregistrement
d’une version de Peg O’ My Heart par les Harmonicats qui a eu beaucoup de succès et pour laquel la
réverbération jouait un rôle important. D’un coup tout le monde a franchi le pas. L’ajout de
réverbération est devenu très important […], même Decca s’est mis à en utiliser. »5 [15]
5
Sutheim, Peter. "An Afternoon with Bill Putnam." Journal of the Audio Engineering Society 37.9 (1989): 723-3
16Les chambres de réverbération sont rapidement devenues un outil très répandu dans les
processus de production sonore [16], certains studios d’enregistrement allant même jusqu’à
dédier plusieurs salles annexes à cet emploi, comme par exemple aux studios Capitol Records
où 8 chambres ont été construites à partir de 1955 sous le bâtiment à 10 mètres de profondeur
afin de disposer de différents types de réverbération (Figure 8).
Des albums tels que Frank Sinatra Conducts Tone Poems of Color (1956), ou encore plus tard
Surfin’USA (1963) du groupe The Beach Boys, mettront définitivement en avant l’usage des
chambres de réverbération dans la production musicale.
Néanmoins, bien qu’étant pendant toute une décennie le seul moyen d’ajouter de la
réverbération en post-production, ces chambres de réverbération demeuraient volumineuses et
assez difficilement modulables, et donc de nouveaux outils permettant de générer de la
réverbération artificiellement ont vu le jour [17].
Les réverbérations artificielles mécaniques
• Réverbération à plaque
La possibilité de simuler le phénomène de réverbération acoustique par un artifice mécanique
apparaît lorsque la société allemande EMT (Elektromesstecknik) introduit sur le marché l’EMT
140 Reverberation Unit en 1957 (Figure 9), toute première réverbération à plaque (« plate
reverb » en anglais). Le principe repose sur l’utilisation d’un transducteur électromécanique
pour stimuler la mise en vibration d’une plaque métallique rectangulaire maintenue aux quatre
coins par des ressorts. Par l’intermédiaire de ce transducteur, le signal qu’on souhaite réverbérer
est converti en ondes solidiennes qui vont alors se propager à travers la plaque dont les modes
propres (dépendant des dimensions, de la densité et de la rigidité de cette dernière) vont générer
des effets de résonnance, qui, d’un point de vue sonore, s’approchent du phénomène de
réverbération d’une salle. Il suffit de placer un ou plusieurs capteurs de contact sur la plaque
pour obtenir le signal qui constituera la simulation de réverbération. Par ailleurs, un pad
d‘amortissement ajustable permet de réduire la surface selon laquelle les ondes solidiennes
peuvent se propager et par voie de conséquence, de diminuer le temps de réverbération délivré
par le dispositif.
Néanmoins, pour obtenir des temps de réverbération adaptés à ceux utilisés en production
musicale, il est nécessaire que la plaque ait des dimensions assez importantes et donc un poids
tout aussi important (pour exemple une EMT 140 pesait un peu plus de 270 kilogrammes).
Cela entraîne inévitablement un aspect encombrant et peu maniable, mais malgré tout
négligeable en comparaison avec les chambres de réverbération.
17Figure 9 – EMT 140 Reverberation Unit
• Réverbération à ressort
En parallèle, et sur un principe de fonctionnement relativement similaire, le facteur d’orgues
électriques Hammond a développé les premières réverbérations à ressort (spring reverb en
anglais) au début des années 1960, qui passeront ensuite sous la licence de Fender. Cette fois,
le signal n’est pas propagé à travers une plaque mais plutôt à travers plusieurs ressorts. Il est
converti par une bobine en champ électromagnétique, qui va alors mettre en mouvement des
aimants couplés aux ressorts, et est propagé en aller-retours par phénomène de réflexion aux
extrémités de ces derniers (Figure 10).
C’est en partie parce qu’elles sont beaucoup plus petites que les réverbérations à plaque (de
l’ordre de quelques dizaines de centimètres) qu’elles ont principalement été employées dans les
amplificateurs pour guitare électrique et les orgues électriques, bien que de nombreux
équipements pour studios de musique ont également vu le jour.
Figure 10 – Réverbération à ressort Mr.power Accustronics 2EB2C1B
18Les réverbérations artificielles numériques
• Réverbération algorithmique
Figure 11 – Pupitre de commande d’une EMT 250 Electronic Reverberator
Le développement du microprocesseur au cours des années 1970 a marqué le début de l’ère
numérique pour de nombreux secteurs. Dans le cas des outils de réverbération artificielle, c’est
tout d’abord en 1976 avec la EMT 250 Electronic Reverberator Unit que les dispositifs de
réverbération numériques font leur apparition (Figure 11). Dans les grandes lignes, l’algorithme
implémenté dans cet appareil permet de simuler les différentes réflexions provoquées en temps
normal par la propagation d’une onde sonore dans une salle, et ce par réinjection du signal
d’entrée (donc le signal à réverbérer) un certain nombre de fois avec des retards et des
amplitudes contrôlés par l’algorithme. Ce premier algorithme a été établi par Barry Blesser de
la société Dynatron pour EMT, mais ses compétences lui avaient également valu d’être amené
à travailler quelques années auparavant sur d’autres projets liés aux outils de réverbération
algorithmiques très importants et notamment celui du lancement de l’entreprise Lexicon. Cette
dernière, particulièrement renommée, a développé des réverbérations algorithmiques encore
aujourd’hui très plébiscitées dans le domaine de la production musicale telles que la PCM80 ou
encore la 960L.
La naissance des réverbérations algorithmiques est donc un véritable bond en avant dans les
processus de création sonore, essentiellement grâce à la flexibilité des paramétrages qu’elles
proposent. Les contrôles offerts à l’utilisateur permettent de façonner la réverbération d’une
façon nouvelle, ne se limitant plus seulement au temps de réverbération, mais allant dans des
détails jusqu’alors non-maîtrisables artificiellement tels que le contrôle indépendant des
premières réflexions ou du champ diffus.
Bien que très appréciées, les réverbérations algorithmiques n’offrent pas un résultat
complètement réaliste. Tout comme les dispositifs antérieurs à plaque ou à ressorts, c’est avant
tout la coloration qu’elles apportent et/ou leur facilité d’utilisation qui les a mises en avant
dans le monde de la post-production.
19• Réverbération à convolution
Figure 12 – Schématisation du produit de convolution entre un signal x(t) et une réponse
impulsionnelle h(t)
Figure 13 – Schéma d’implémentation de la convolution discrète
Face à cette problématique, Sony développe en 1999 un tout nouvel outil de réverbération
numérique avec le DRE S777, premier dispositif de réverbération basé sur le principe de
convolution. Comme nous l’avions abordé dans le chapitre 1.2.2, paragraphe « Maquettes
acoustiques », il est possible, à partir de l’acquisition de la réponse impulsionnelle d’une salle,
d’obtenir le résultat du mélange entre une source sonore et l’acoustique de cette salle par
l’opération mathématique de la convolution (Figure 12).
Dans le domaine numérique, où les opérations s’effectuent sur des échantillons, on parle de
convolution discrète (Figure 13) et celle-ci s’exprime de la façon suivante :
01 01
(" ∗ ℎ)['] = + ,[-].[' − -] = + .[-],[' − -] = (. ∗ ,)[']
234 234
Pour bien comprendre ce principe, prenons par exemple deux signaux, représentés par les
ensembles d’échantillons suivants :
n=0 n=1 n=2 n=3 n=4
h[n] (par exemple la réponse impulsionnelle) 1 5 2 3 4
x[n] (source à réverbérer) 2 4 3 6
20Alors le calcul de la convolution discrète entre ces deux signaux peut se décomposer
schématiquement par les étapes suivantes :
Þ Étape 1 : Multiplication de tous les échantillons de h[n] par x[0]
2 10 4 6 8
Þ Étape 2 : Multiplication de toutes les valeurs de h[n] par x[1] avec un décalage d’un échantillon
2 10 4 6 8
4 20 8 12 16
Þ Étape 3 : Réitération de l’opération précédente jusqu’au dernier échantillon de x[n]
2 10 4 6 8
4 20 8 12 16
3 15 6 9 12
6 30 12 18 24
Enfin, pour obtenir le produit de convolution x*h[n], il faut réaliser l’addition des lignes de
chaque colonne de la matrice obtenue précédemment et la taille en échantillons du résultat sera
alors de la somme des tailles des deux signaux moins un, ici 5 + 4 – 1 = 9 échantillons.
n=0 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7
(x*h)[n] 2 14 27 35 56 37 30 24
On comprend bien que cette opération est lourde car pour chaque échantillon du signal que
l’on souhaite réverbérer, il faut réaliser une multiplication élément après élément avec tous les
échantillons de la réponse impulsionnelle. C’est pourquoi dans la pratique, les dispositifs de
réverbération à convolution procèdent plutôt par Transformée de Fourier Rapide (FFT ou Fast
Fourier Transform en anglais) qui permet de passer d’un signal représenté dans le domaine
temporel (amplitude en fonction du temps) à un signal représenté dans le domaine fréquentiel
(et donc amplitude en fonction de la fréquence). En effet, il s’avère que l’opération de
convolution dans le domaine temporel est équivalente à une multiplication dans le domaine
fréquentiel. La FFT est moins coûteuse en calculs que la méthode présentée auparavant c’est
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