Si en 25 ans, de nombreuses publications ont permis de démystifier la prise de son en multicanal et les différents procédés de reproduction, les travaux concernant l’acoustique des lieux de diffusion en multicanal sont rares. Le local et les enceintes sont les atouts maîtres d’une bonne reproduction. Mais en aucun cas, la qualité des enceintes ne permettra de corriger l’acoustique déficiente d’un local. Le passage de la stéréophonie au 5.1 n’est pas forcément compatible. Les volumes associés aux locaux ainsi que les principes propres à la stéréophonie comme le LEDE sont des caractéristiques qui doivent être repensées. La normalisation ITU est actuellement l’unique référence concernant la diffusion multicanale audio. Pour des raisons évidentes de compatibilité, elle doit être respectée. Les recommandations ne sont pas nombreuses mais on s’aperçoit que certaines règles en découlent. Différents groupes de travail issu de la NHK ou de l’AES contribuent à argumenter les caractéristiques acoustiques des studios en 5.1. Il n’est pas question ici de prendre en considération les différents moyens d’enregistrement acoustique et virtuel pour la création d’une œuvre musicale. Les considérations présentées ici ne concernent que la reproduction sonore et sont donc communes à tous types d’enregistrement par contre, nous analyserons uniquement les studios dédiés à la production ou à la post-production sonore. On ne traitera donc ni des contraintes du son liées à l’image ni des formats spéciaux de reproduction autres que le 5.1.

2 Considérations générales du 5.1

2.1 Rappel concernant la stéréophonie

Une installation 5.1, doit être capable de diffuser de la stéréophonie aussi bien qu’un local destiné à celle-ci. Ce qui veut dire que certaines règles de bases doivent être conservées : Les locaux devront être symétriques par rapport à la médiane. Une dissymétrie entraînera une distorsion de l’image frontale. La zone d’écoute en stéréophonie est un triangle dont la base s’élargit au fur et à mesure que l’on s’éloigne des enceintes. Cette zone est limitée par le mur arrière qui doit se situer assez loin de l’auditeur. On recommande généralement pour une salle rectangulaire que la médiane de l’axe d’écoute corresponde à la longueur du local. Le LEDE, est une tendance de traitement des parois consistant à rendre mat l’avant du studio pour éviter des premières réflexions nocives et à éclaircir l’arrière du local, généralement avec des parois diffusantes. Ceci a pour effet d’augmenter l’énergie précoce et la force sonore. Cette méthode est sujette à controverse pour le 5.1 car elle impose le placement des enceintes arrières sur une zone réfléchissante ou diffusante. Les studios d’enregistrement ont un temps de réverbération qui fluctue entre 0.2s et 0.4s suivant le volume du local. On constate généralement un pallier entre 100Hz et 10kHz tenant dans un gabarit de ± 0.03s. Ces valeurs mesurées à Radio France par M. Cassan sont similaires à celles rencontrées pour les studios privés. Les dimensions d’une salle rectangulaire respecteront la formulation suivante afin de limiter les modes propres. 1,1 W / H ≤ L / H ≤ 4.5 W / H – 4 avec L / H < 3 et W / H < 3 Où W est la profondeur, H la hauteur et L est la longueur de la salle. On peut prendre par exemple les rapports proposés par la NHK qui répondent aux inéquations précédentes: H = 1.59 W ±0.7 = 2.52 L ±0.28

2.2 Les exigences du 5.1

La configuration ITU par un souci de compatibilité descendante, impose les angles physiques de reproduction de la Figure 1.

Figure 1. Angle de reproduction (spécification ITU)

Elle spécifie une hauteur des écoutes frontales à 1.2m et à 1.2m ou plus pour l’arrière. On comprendra ici que c’est la position du tweeter qui est prise en compte. Si l’enceinte est positionnée en élévation, elle devra être inclinée vers le bas pour éviter les filtrages en peigne aux fréquences de raccordement des différents transducteurs. Ces défauts proviennent de la différence de marche de la distance entre l’oreille du preneur de son et les différents transducteurs. Dans l’impossibilité de placer les enceintes arrières sur le même rayon un retard devra être appliqué au signal nourrissant les enceintes arrières. Cette possibilité est intéressante dans le cas de petit volume mais c’est un artifice qui n’est pas totalement transparent pour l’écoute globale. En effet le rapport champ direct / champ réverbéré sera différent entre l’avant et l’arrière. La recommandation internationale spécifie que la localisation de l’image sonore n’est pas requise sur les cotés et à l’arrière. Elle conçoit l’utilisation des enceintes arrières comme une amélioration de la spatialisation ce qui permet, selon elle, d’augmenter la zone d’écoute de la stéréophonie. On voit bien ici que ces exigences manquent de clarté. Car l’ajout de sources sonores dans un local contribue à déstabiliser l’image frontale et à rendre la zone d’écoute stéréophonique plus restreinte. Ainsi le 5.1 doit être interprété comme un système permettant une meilleure immersion dans l’environnement sonore. Il est évident que cette vision minimaliste de la fonction des enceintes arrières peut être étendue au souhait d’une information de localisation azimutale complète. Dans ce cas, la zone d’écoute se trouve très réduite car elle dépend de la robustesse de la localisation. De plus la configuration 5.1 ne permet que très difficilement une localisation latérale.[5] Un document technique de l’AES rédigé récemment [7] suggère des valeurs et des paramètres concernant une écoute de qualité en 5.1. Il mentionne principalement : · Une surface d’écoute supérieure à 40m². En conséquence, les studios dédiés au 5.1 devront être plus grand que ceux employés en stéréophonie. Les japonais proposent de ramener cette valeur à 30m² car ils ont l’habitude de travailler dans des locaux comportant des surfaces plus exiguës (travail et domicile). Cette valeur semble plus raisonnable mais elle ne sera pas forcément compatible avec les suggestions qui suivent. Grand nombres de studios dédiés au multicanal auront des surfaces encore plus faibles vu les coûts au m². On peut craindre que des locaux de faibles dimensions n’offrent la possibilité qu’à une unique personne de se situer dans la zone d’écoute. · Une distance d’écoute comprise entre 2 et 6.8m des enceintes ainsi qu’une zone d’écoute minimale dont la surface est un disque de 0.8m de rayon par rapport au point central. Cette valeur dépend essentiellement de l’effet de précédence. Comme l’énergie de l’onde directe décroît de 6dB à chaque doublement de la distance, un rayon d’enceinte important favorisera donc une zone d’écoute étendue moins sensible aux effets de précédence. · Les réflexions précoces doivent avoir un niveau inférieur à 10 dB par rapport au champ direct. Cette recommandation n’autorise quasiment plus la pose de matériaux réfléchissants lisses. Ces matériaux devront être diffusants pour atténuer l’énergie des réflexions des premiers ordres. · Un Tr de l’ordre de 0.25(V/Vo)1/3 où Vo est un volume de référence de 100m3. Ainsi, un studio de faible volume de 80m3 aura un temps de réverbération de 0.23s tandis qu’un volume de 160m3 nécessitera 0.3s. Ceci est très mat par rapport aux valeurs moyennes mesurées dans les studios d’enregistrement comprises généralement entre 0.3 et 0.4s. Si en règle générale, le temps de réverbération des salons d’écoute chez les particuliers s’approche de ces valeurs pour la stéréophonie, il nécessite que les installations home théâtre 5.1 du grand public soit beaucoup mieux traitées afin de conserver les conditions d’écoute du mixage. · Une réponse en fréquence (50Hz à 2 kHz) au point d’écoute comprise dans un gabarit de ±3 dB dans la zone d’écoute (on s’autorisera 3dB d’atténuation supplémentaire pour les fréquences supérieures). Ces mesures ne pourront être atteintes qu’avec un contrôle total des modes propres du local. Les enceintes professionnelles ont toutes des réponses à 1m correspondant à ce gabarit, cette information ne concerne que l’acoustique du local. Respecter ce gabarit pour des fréquences inférieures à 100 Hz semble illusoire. · Un bruit de fond inférieur à la courbe NR10 et dans tout les cas jamais supérieur à la NR15. Les niveaux de bruit spécifiés sont vraiment faibles. Si la climatisation est ancienne, ces niveaux ne pourront pas être atteints. Une valeur de NR18 semble déjà suffisant. · Un niveau d’écoute de référence fixé à 78 dB(A) ou à 85 dB(C). · Les enceintes seront placées à une distance minimale des murs de 1m. Une enceinte placée à une distance d fait que la courbe de réponse sera creusée pour la fréquence dont la longueur d’onde l =4*d soit f = c/(4*d). Ainsi à 1m un trou se produira à 85 Hz. Plus l’enceinte serait positionné près des parois plus la fréquence d’annulation se situe dans le spectre audible. Cet inconvénient n’existera plus si on encastre les enceintes. · Les enceintes frontales seront appairées à 0.5 dB ce qui nécessite l’utilisation d’enceintes issues de la même série. · La réponse en fréquence de l’enceinte à 1m doit tenir dans un gabarit de 4 dB de 40 à 16kHz. Ces valeurs sont en accord avec celles des caractéristiques des moniteurs professionnels. · Un indice de directivité compris entre 6 et 12 dB. Ces valeurs imposent une directivité bien maîtrisée et excluent l’utilisation de haut-parleurs larges bandes. La qualité d’une enceinte est souvent liée à une directivité contrôlée en fonction de la fréquence. Le but est d’obtenir une directivité en fonction de la fréquence qui ne présente pas d’accident marqué au niveau des fréquences de raccordement des transducteurs. Ce sont les améliorations les plus sensibles apportées par les différents constructeurs d’enceinte ces dernières années. C’est principalement par des études de profil de pavillon que l’on peut obtenir un rayonnement linéaire en fonction de la fréquence. Des non linéarités auront comme conséquence de colorer la salle et c’est principalement ce paramètre qui fait qu’une enceinte ne sonne pas comme une autre. · Une réponse en fréquence à 30° ne devra pas être atténuée de plus de 4 dB par rapport à l’axe. Ces valeurs permettront de minimiser les effets de précédence dans la zone d’écoute. L’encastrement des enceintes aura tendance à améliorer considérablement les données de l’enceinte mesurée en champ libre. On pourra donc utiliser des enceintes plus directives si on les encastre. Les valeurs données sont exigeantes, il n’existe quasiment aucun studio stéréophonique répondant à ces valeurs à Radio France. Notons que les Japonais de la NHK proposent des spécifications encore plus contraignantes particulièrement pour le temps de réverbération. Radio France s’équipera prochainement d’un studio multicanal de qualité qui ne respectera pas non plus toutes ces préconisations. En résumé, suivant ces recommandations la diffusion en 5.1 nécessite des plus grands volumes et mieux traités. Les temps de réverbération recommandés exigent l’utilisation de matériaux absorbants et d’autre à la fois diffusants et réfléchissants.

2.3 Le point 1 du 5

Les conditions d’utilisation d’un caisson de grave sont relativement simples mais trop rarement observées : Sachant que des instruments ou des bruits comportant des fréquences basses ne sont pas nombreux et que les graves ne peuvent pas se propager linéairement dans de petits locaux, on peut dire que la reproduction des fréquences vers 50 Hz n’est pas forcément nécessaire. De plus les studios professionnels possèdent des enceintes dont les caractéristiques aux basses fréquences sont plus qu’honorables. On réservera leur utilisation pour des studios à faible budget dont les enceintes de diffusion principales sont des satellites. Ajoutons enfin que le réglage d’un caisson de basse avec les autres enceintes est très difficile à réaliser (mise en phase, filtrage…). La pose d’un caisson sans ajustement aura comme conséquence directe de générer une réponse en fréquence désastreuse… Les professionnels audio préfèreront le 5.0 et laisseront le 5.1 au domaine du cinéma et du home théâtre.

3 Considérations acoustiques

L’augmentation du nombre de haut-parleurs pour une configuration 5.1 entraîne une plus grande excitation du local qu’en stéréophonie. On aura donc intérêt à prendre plus de précaution qu’à l’accoutumé pour minimiser les effets néfastes du local.

3.1 Modes propres

Moins le local est volumineux plus les modes propres se feront sentir, il est donc absolument nécessaire de respecter des dimensions de longueur, largeur et hauteur dont les dimensions ne possèdent pas de rapport multiple. Ceci n’est malheureusement qu’une précaution nécessaire mais non suffisante. Une tendance actuelle qui exige une étude architecturale conséquente est de créer des studios sans aucune surface parallèle. Si l’on ajoute un traitement absorbant efficace dans le grave, les modes propres du local seront très fortement réduits.

3.2 Encastrement des enceintes

L’encastrement d’une enceinte consiste à l’intégrer dans le bâti du studio afin que seule la face avant de l’enceinte soit visible. Les avantages d’une pose encastrée sont indéniables, certes, la pose bafflée à un coût mais dans la mesure où la qualité sonore d’un studio est l’objectif principal, l’encastrement des enceintes est nécessaire. Ce mode de pose à un autre avantage car il nécessite de penser la conception ou la rénovation du studio d’un point de vue acoustique ce qui est souvent oublié… La majorité des enceintes professionnelles sont rectangulaires, et le son diffracté par les arêtes de l’enceinte réagit comme une source sonore qui est en opposition de phase à certaines fréquences. Une enceinte ne rayonne pas que vers l’avant et est de plus en plus omnidirectionnelle lorsque que la fréquence baisse. La conséquence principale de ces lois physiques est la création d’une onde renvoyée par le mur arrière qui va renforcer ou atténuer l’onde principale en fonction de la longueur d’onde du signal. La deuxième conséquence est l’ajout de réflexions diffuses créées par l’hémisphère arrière de l’enceinte qui viendront corrompre la fidélité de l’enregistrement initial. La Figure 2 est une simulation de l’apport de réflexions [6]. On a retranché à l’échogramme d’une enceinte sur pied posé à 1m d’une paroi traitée avec un matériau absorbant, celui d’une enceinte bafflée. Les émergences positives sont donc les réflexions induites par l’arrière de l’enceinte. Certaines d’entre-elles ne sont pas négligeables et contribuent à renforcer la signature acoustique du local d’écoute.

effet d'encastrement

Figure 2.Réflexions supplémentaires créées par l'hémisphère arrière

L’encastrement d’une enceinte dans une paroi a comme conséquence directe d’augmenter le niveau pour les très basses fréquences. La mesure de la Figure 3 indique une augmentation de 4 dB pour un montage avec un baffle de contre plaqué. Les enceintes à encastrer devront être munies de correcteurs internes pour éviter l’ajout d’une égalisation en sortie monitoring. Notons à ce sujet que si l’acoustique de la cabine est adéquate, la présence d’un égaliseur n’est pas nécessaire et qu’un correcteur électrique ne permet pas une linéarisation acoustique de la cabine. La totalité des grands studios de prise de son installés par la société Genelec n’ont pas de modules EQ rajoutés et les courbes de réponse obtenues à la place de l’ingénieur du son ont des valeurs qui tiennent dans un gabarit convenable. Une correction électrique s’il elle est envisagée devra se faire en moyennant plusieurs points dans la zone d’écoute. Effet encastrement grave

Figure 3. Mesure de l'effet d'encastrement. Augmentation du niveau de 4 dB en dessous de 250 Hz.

Figure 4. Mesure de directivité

La directivité de l’enceinte est aussi fortement modifiée lors de l’encastrement. Les diagrammes de directivité suivants montrent une perte de la directivité pour l’hémisphère avant lors de l’encastrement. La conséquence de ce changement est d’obtenir une plus grande homogénéité de la couverture de la zone d’écoute du fait d’un angle d’ouverture plus large Malheureusement cela contribue aussi à faire réagir plus le local dans des zones non désirées. On retiendra donc par cette manipulation que les valeurs d’angle d’ouverture données par les fabricants sont à sous estimés lors d’une pose en mode encastré et donc que des enceintes de plus grande directivité peuvent être utilisées sans nuire à l’homogénéité et à la robustesse de la localisation du local.

Figure 5. Directivité d'une enceinte sur pied

diagramme polaire enceinte

Figure 6. Directivité d'une enceinte encastrée

3.3 Les réflexions précoces

Il est nécessaire lors d’un enregistrement acoustique, d’écouter la salle où est produite l’œuvre et non pas celle du local d’écoute. Hors le studio d’enregistrement est de plus faible volume que la salle de spectacle. L’intensité des réflexions précoces est la signature acoustique d’un local (volume, couleur, clarté). Si celles du studio d’enregistrement ne sont pas assez atténuées, c’est sa signature qui sera entendue avec la réverbération de l’autre local voir Figure 7. L’ITD (temps de retard initial), est le temps de la première réflexion après l’onde directe (cette valeur est un indice codifiant la taille du local). Les premières réflexions sont les plus perturbatrices et devront être atténuées en priorité. L’ITD est le paramètre acoustique caractérisant directement la taille du local. C’est une des raisons pour laquelle les cabines LEDE nécessitent un temps d’ITD compris entre 8 et 20ms pour ne pas trop corrompre la perception de l’espace sonore d’enregistrement. Sur la Figure 8, Angus [4] propose une courbe montrant le niveau maximal des réflexions en fonction du temps afin de ne pas perturber la localisation de l’image fantôme. Il en conclut que les parois participantes aux premières réflexions devront avoir un coefficient d’absorption supérieur à 0.9.

Figure 7. La réponse impulsionnelle de l'espace d'enregistrement s'additionne à celle du lieu d'écoute.

Figure 8. Gabarit concernant l'amplitude limite à ne pas dépasser en fonction du temps

3.4 Forme du local

Les points exposés plus haut montrent toute l’importance à accorder à la géométrie du local. On se rend bien compte que les réflexions de forte intensité sont responsables d’une acoustique médiocre. La solution pour les éviter est soit de les affaiblir en traitant efficacement les zones d’impact des réflexions du premier ordre soit de modifier la géométrie du local afin que les réflexions nuisibles ne reviennent pas dans le champ de l’auditeur [3]. Une solution mixte est sûrement le meilleur compromis car la zone d’écoute est parfois partagée par plusieurs opérateurs. Ce sont évidemment les réflexions d’ordre un les plus perturbatrices. Les réflexions d’ordre supérieur sont affaiblies par leurs trajets plus longs (décroissance en 1/d) et par le fait qu’elles perdent de l’énergie à chacun des impacts sur les parois (par diffusion et absorption). Il est très difficile de prévoir sur plan le trajet de ces réflexions. Les parois comme le plafond ou le sol sont souvent oubliées, des réflexions courtes d’ordre deux sur des parois réfléchissantes n’appartenant pas au même plan ne seront pas visualisables, l’utilisation d’une simulation acoustique par ordinateur est tout à fait pertinente pour obtenir différents échogrammes dans la zone d’écoute. La Figure 9 montre les résultats obtenus par Mr Le Gall pour une simulation d’un studio de Radio France [6]. Les réflexions numérotées sont des celles du premier ordre et les petites entre 3 et 18ms simulent les réflexions du premier ordre de diffraction par les parois et les arêtes. Dans cet exemple deux pics émergent à 10dB en dessous de l’onde directe et devront être traitées prioritairement.

Figure 9. Echogramme simulé à la place du preneur de son pour une enceinte

Il ne faut pas oublier d’additionner les échogrammes des cinq enceintes car la symétrie des salles aura tendance à booster l’amplitude des réflexions. La position de l’enceinte centrale fait qu’une attention particulière sera effectuée pour le traitement du mur arrière. En effet l’exiguïté de certains studios ramène le mur arrière très proche de l’auditeur et même un traitement diffusant ne permettra pas de s’affranchir totalement des réflexions directes. On préférera des solutions mettant en oeuvre des pans inclinés absorbants permettant de rejeter les ondes réfléchies hors du champ d’écoute. La Figure 10 et la Figure 11 donne un exemple de géométrie illustrant ce principe pour la position du directeur du son.

cab 5.1 type

Figure 10. Solution NHK

plan can 5.1

Figure 11. Vue de dessus

4 Conclusion

Un studio 5.1 de petit volume n’est pas conseillé. Plus la surface est réduite plus la zone d’écoute l’est aussi. Un studio 5.1 impose une conception beaucoup plus exigeante car plus il y a de haut-parleurs plus le local est sollicité et influence l’écoute à la place du preneur de son. Il est évident que l’étude architecturale d’un nouveau studio commence préalablement par l’étude de l’acoustique du lieu. Mais ceci était déjà vrai pour la stéréophonie même si on à tendance à l’oublier… Moins on souhaite exciter un local, plus on doit traiter les parois en absorbant. Cette considération exige l’utilisation de studios plus mats pour le multicanal que pour la stéréophonie. Les musiques, les fictions, les opéras mixés dans des studios biens conçus, vont répondre à l’esthétique désirée par le réalisateur ou l’ingénieur du son. Mais la vocation des œuvres sonores est d’être diffusées massivement chez les particuliers dans des locaux parallélépipédiques et clairs. On peut ouvrir un débat à savoir : est-ce que le particulier doit traiter son salon de telle sorte qu’il s’approche des conditions d’écoutes professionnelles ou est ce que l’ingénieur du son doit travailler le son afin qu’il soit écoutable dans des pièces dotées d’une acoustique plus pauvre ?

5 Littérature

[1] Multichannel surround sound systems and operations document technique AES TD1001.0.01-05, mai 2001

[2] Listening conditions for the assessement of sound programme material Document technique EBU 3276-E, Pre-Press version-février 1999

[3] R. WALKER, Multichannel control room acoustics and the devellopment of early reflexion control, extrait de la conférence Multichannel sound recording and reproduction organisée par l’AES et la SFA à Paris, le26 & 27 octobre 2000 [4] J. ANGUS, The effects of specular versus diffuse reflections on the frequency response at the listener Journal of the Audio Enineering Society Volume 49 Number 3-mars 2001

[5] L. GIVERNAUD, Etude de la perception de la localisation pour une prise de son acoustique en différence d'intensité en 5.1. Mémoire Cnam 12/2000

[6] T. LE GALL, Etude d’une régie de mixage en configuration multicanale avec enceintes encastrées. Stagiaire DEUST 07/2001

[7] Technical document AESTD1001.0.01-05 Multichannel surround and operations. AES TC-MBAT 2001

[8] R. WALKER, BBC resources. Controlled Image design 1995. Rersearch and development report

[9] F. ERNOULD Placement des enceintes 1998

[10] Multichannel stereophonic sound system with and without accom-panying picture. ITU-R BS.775-1 [11] David BELL, Whitemark STUDIO SOUND Changing Rooms. 02/2001

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