Modes propres et ondes stationnaires

Tous les ouvrages scientifiques traitant de l’acoustique des salles donnent invariablement des préconisations sur les rapports de dimension du local tiré des études de Sepmeyer, de Louden, Pujolle, Peter d’Antonio, de Walker de Bonnello... On y retrouvera ainsi cette fameuse équation difficile à expliquer dés que les modes deviennent tangents ou obliques pour les salles rectangulaires :

 Les études les plus avancées comme celle de Bolt avec l’équation : 1,1 W / H    ≤    L / H    ≤    4.5 W / H – 4      

       et         L / H < 3    et   W / H < 3        voir cours 1

Ou encore dans les sites suivants :

http://www.whealy.com/acoustics/ControlRoom.html ,

http://www.acoustics.salford.ac.uk/acoustics_info/room_sizing/?content=index

fournissent des cartographies des rapports de dimensions optimales prenant en compte l’espacement des modes entre eux.

Toutes ces méthodes nous conduisent à nombre considérable de solutions mais qu’en est-il et de la mesure ?

Mesure des ondes stationnaires

Le meilleur moyen de se rendre compte de la présence d’ondes stationnaires, c’est de générer un signal monochromatique (un sinus) et de se déplacer dans la salle pour se sensibiliser aux nœuds et aux ventres très facilement discernables à l’oreille.

On peut toutefois se demander si des différences entre la théorie et la pratique existent. Ainsi la source caractérisée par un monopole de pression en théorie est en réalité une enceinte dont la surface rayonnante ne se situe pas sur la surface du mur, de même les salles ne sont pas totalement rectangulaires, elles ont des parois dont l’impédance est complexe et le volume de la salle est encombré par de nombreux volumes annexes (table de mixage, fauteuil, baie...)

Dans un premier temps, pour retrouver les résultats de la théorie, Frédéric Fleck pour étayer son sujet de licence a caractériser une chambre d’écho dont la géométrie, le volume et les conditions limites des parois s’approchaient des conditions de la théorie pour pouvoir mesurer les variations de pression. Si les ventres de pression sont parfaitement audibles spatialement, les résultats de mesure montrent des variations maximales de l’ordre de 20 dB. Les modes axiaux sont facilement repérables dans les mesures jusqu’au 2^nd ordre, au-delà les choses se compliquent, la symétrie disparaît, les ordres supérieur à trois sont méconnaissables (figure suivante). Ne parlons pas des modes tangentielles et obliques. De plus la position des nœuds varie légèrement de la position spatiale prévue, les fréquences sont aussi légèrement décalées pour les minimums et maximums de pression.

Modes de la chambre claire

 2nd mode axial

On constate aussi que l’effet modale se fait sentir sur plus 1/6^ème d’octave autours de la fréquence principale concernée.

En conclusion la formule théorique apportée par l’équation d’onde donne des résultats assez éloignées des mesures expérimentales même pour un lieu proche des conditions optimales tr60 de 1.5s.

Tests subjectifs

Dans une cabine de prise de son avec un Tr de 0.3s, des enceintes positionnées sur le triangle équilatérale, du mobilier technique, un traitement absorbant le grave et une position d’écoute à la distance critique, on peut s’attendre à des résultats encore plus aléatoires. Les positions  attendues des nœuds et ventres axiaux sont en effet décalé jusqu’à 80 cm de la position théorique, leurs amplitudes sont affaiblies et les autres défauts de la réponse en fréquence ne sont pas corrélables aux autres fréquences modales. Pour une cabine symétrique, on constate aussi une très nette différence si la source provient de l’enceinte droite ou de l’enceinte gauche...

Toutefois les nœuds et ventres de pression avec un signal sinusoïdale sont facilement identifiables.

Pour se rapprocher des conditions d’écoutes réelles, des tests on été effectués avec des notes d’instrument réel (avec contenu harmonique et une enveloppe temporelle).

Les premiers résultats montrent qu’avec une contrebasse synthétisée sur les fréquences modales mesurées, on ne discerne quasiment pas les modes en se déplaçant aux endroits appropriés.

En créant des trains d’impulsions sinusoïdaux pour lesquels on fera varier la durée du rapport cyclique, on observe un phénomène intéressant. La perception des ondes stationnaires est en fonction de la durée du signal sinusoïdale. Avec un signal d’une durée de 0.2s, notre oreille ne discrimine plus les modes ou les ondes stationnaires n’ont pas le temps de s’établir dans le local alors qu’ils sont parfaitement audibles avec 1s.

Phénomène lié, la localisation subjective de la source est étroitement lié à cette même durée :

S’il est impossible avec un signal sinusoïdal continu d’indiquer précisément la position de l’enceinte avec les yeux bandés, la réduction temporelle de l’enveloppe du signal émis autorise une localisation précise de la source.

En conclusion, il n’est pas question de casser un chapitre de l’acoustique des salles car nous verrons ci-dessous que l’effet de tonneau dans les studios d’enregistrement est bien lié aux effets néfastes des ondes stationnaires mais de relativiser sa portée pour les écoutes de cabines et de régies.

On peut tout de même spécifier que les effets des ondes stationnaires ne concernent que les sons tenus de très basse fréquence et qui sont localisés sur les axes principaux du local, que malheureusement les fréquences comprises entre 30 et 60Hz ne sont que très difficilement atténuées par les traitements acoustiques de parois et  qu’il faudra procéder à une égalisation moyennant les différentes positions d’écoute pour arriver à un compromis honorable. Dans l’impossibilité, il faudra vivre avec.

Que dire des rapports de dimension et autres « nombre d’or » concernant la géométrie des cabines de prise de son, j’aurai tendance à dire : «  éviter les surfaces carrées et les volumes cubiques, pour le reste... »

Cas des plateaux

Décrit assez bien par les ingénieurs du son par l’appellation « son de tonneau » les résonances sont un effet récurrent des plateaux insuffisamment traités dans le bas du spectre.

Si l’enregistrement d’une seule voix ne pose que rarement souci, la captation d’une interview, d’un débat engendre parfois des résonances. En ouvrant successivement plusieurs microphones, on augmente la proportion de champ réverbéré capté par rapport au champ direct qui ne change pas car les locuteurs ne parlent que rarement ensemble et ne disent pas la même chose. (Les autres microphones ne captent que de l’effet de salle).

Ce changement de rapport de capture a comme effet d’augmenter le niveau de captation des ondes stationnaires présentes dans le champ réverbéré.

Malgré le fait que les microphones soient situés à des emplacements différents autours de la table speaker, invariablement des ventres de pression de même fréquence viennent se superposer au mixage final. Voir les schémas ci-dessous où la résonance à 125Hz se retrouve très nettement amplifiée avec l’ouverture des microphones annexes.

 1  microphone ouvert

Plusieurs microphones ouverts

Pour se débarrasser de cet effet indésirable, il est impératif de traiter le local en absorption pour les fréquences proches de 125Hz. C’est à cette octave que commence le spectre vocal et cela correspond aussi aux fréquences audibles des modes propres en fonction du volume du local (qui dépend de la fréquence de coupure du local).

Le traitement en absorption se cale en proposant pour le temps de réverbération un plateau tenant dans un gabarit à ±0.05s pour les octaves comprises entre 125 et 4000 Hz.

Une autre solution consiste à moduler les faders en fonction des interventions, mais il faut anticiper  (ce qui différencie les bons preneurs de sons). Enfin, une étude intéressante consisterait à étudier s’il existe des positions spatiales de microphones adaptées au niveau de la table speaker qui minimiserait les effets néfastes et si on pouvait en tirer une loi en fonction du volume et de la géométrie de la pièce.