II / Principe de fonctionnement
et utilisation dans l’audio
A. Enveloppe et dynamique
Le signal audio est un signal alternatif: sa
valeur passe donc par des maxima appelés «crêtes» ( crêtes positives) et par
des minima appelés «creux» (crêtes négatives).
Crête et
creux d’un signal
Ce signal ne représente pas la sensation perçue, il
nous faudra rechercher une autre représentation temporelle du signal plus
proche de la sensation. Une méthode consiste à suivre l’énergie véhiculée par
le signal sur une durée conventionnelle (cas du VU-mètre).
Le résultat obtenu indique la forme générale du
signal et on l’appelle « enveloppe ».
Cette
forme n’est pas unique, elle dépend de la méthode de calcul utilisée et de la
durée d’observation (différence entre le VU-mètre et le crête-mètre par
exemple) (figure suivante).
Enveloppe
d’un signal: il s’agit de l’enveloppe exacte
Le rapport entre les valeurs maximale et minimale atteintes par l’enveloppe, au cours d’une durée d’observation assez longue (une interprétation musicale par exemple) , s’appelle dynamique.
Ce rapport se mesure en décibel (dB) (figure suivante).
Dynamique
d’un signal
Un système électroacoustique est caractérisé par son
rapport signal/bruit qui doit être supérieur à la dynamique de notre signal,
pour une exploitation correcte.
Quelques chiffres nous permettent de saisir l’évolution
technologique en matière de dynamique (figure suivante) .
Les différentes dynamiques: d’un coté
naturelle, de l’autre des systèmes de reproduction actuels
B. Phases temporelles
Un
signal peut être représenté par son enveloppe, évolution du niveau sonore perçu
dans le temps. Dans le cas des instruments de musique, on notera les
transitoires d’attaque, ensuite l’entretien du son (ou pas dans le cas d’une
percussion), et finalement l’extinction.
La forme de l’enveloppe « type » nous permet
d’évaluer les futures transformations.
Représentation
schématique de « l’enveloppe » d’un son (une note de piano par
exemple)
C. Le compresseur
1. La compression technique
Un compresseur, c’est un amplificateur à gain variable qui réagit de la façon suivante : la dynamique du signal en sortie est inférieure à la dynamique du signal en entrée.
dB out < dB in
En fait, le compresseur sert à baisser les niveaux forts.
Lorsque les compresseurs n’existaient pas, on faisait du suivi de niveau (GAIN RIDING) : l’ingénieur du son bougeait le fader en temps réel.
Lorsque les niveaux étaient faibles, l’ingénieur montait le fader pour ne pas aller sous le bruit de fond.
Lorsque les niveaux étaient forts, l’ingénieur du son baissait le fader pour ne pas dépasser le seuil de saturation.
Ainsi, on rattrapait les différences de niveau pour rester toujours le plus près possible du seuil de saturation.
En fait, le principe était d’optimiser le signal sortant de la console pour l’enregistrer sur le support.
Ceci n’était pas très pratique : le compresseur agit comme un GAIN RIDING automatique.
En classique, on n’utilise pas de compresseurs, on fait du gain riding notamment sur les montées d’orchestre.
En séance d’enregistrement de rock, il n’est pas utile d’utiliser un compresseur si la voix reste au même niveau tout au long du morceau. S’il y a des passages ou le chanteur pousse un peu plus fort, on baisse le fader : c’est plus efficace qu’un compresseur.
Evidemment, le mieux serait que le chanteur se recule au moment des passages les plus forts.
Dans le compresseur, il y a un système de commande qui pilote l’ampli : c’est le VCA (Voltage Controlled Amplifier).
Side chain : signal de commande du compresseur.
Le compresseur a toujours besoin d’un signal de commande :
Par défaut, le signal qui est dans le side chain est le même que le signal en entrée : le signal qui entre dans le compresseur est envoyé à la fois vers l’ampli et vers le circuit side chain : le VCA.
Le signal qui va dans le side chain fait office de tension ou signal de commande et le compresseur réagit par rapport à ce signal présent dans le side chain :
Le gain de l’ampli varie en fonction du niveau du signal qu’il y a dans
le side chain.
En fonction de ce niveau, le VCA commande une amplification ou une atténuation à l’ampli qui l’applique alors au signal audio que l’on récupère à la sortie.
En fait, on compresse
un signal en fonction de ce même signal.
C’est dans le side chain que l’on définit le seuil (qui correspond à une certaine valeur de tension).
Quand le signal présent dans le side chain dépasse le seuil, l’ampli atténue le signal.
Quand le signal présent dans le side chain est en dessous du seuil, l’ampli amplifie le signal.
On règle le seuil (ou threshold) par rapport au signal présent dans le side chain.
On règle le taux de compression par rapport au signal qui traverse l’amplificateur.
Le signal de commande peut être un signal externe que l’on a fait entrer dans l’entrée side chain return (qui ainsi se substitue au signal de commande initial.
Ainsi, on compresse un signal par rapport à un signal externe.
C’est par rapport à ce signal externe que le VCA contrôle l’ampli et lui commande une amplification ou une atténuation.
Par exemple, en radio il y a de la musique et parfois un speaker veut parler par dessus.
On veut que la musique soit atténuée lorsque le speaker parle : on va compresser la musique par rapport à la voix du speaker. C’est le voice over compression.
On règle le seuil plus faible que le niveau de la voix.
Inconvénients du compresseur : la réduction de gain dépend du niveau qui rentre dans le compresseur et du niveau qui dépasse la seuil.
Plus on rentre fort dans le compresseur, plus on a de la réduction de gain ; inversement, moins on rentre fort dans le compresseur, moins on a de réduction de gain.
Ceci est toujours vrai.
Dans le cas de la voice over compression, si le speaker parle doucement, la musique est très légèrement atténuée, mais s’il hurle dans le micro, la musique disparaît !
2. Les premiers compresseurs (1960)
Dans les premiers compresseurs, il n’y avait pas réglage de seuil ; le seuil était fixé à 0dB (en fait ils travaillaient tout le temps).
Ratio : réduction de gain ; c’est le rapport de compression
Le compresseur applique une réduction de gain définie par le ratio.
Exemples de ratios :
2 :1 ; 4 :1 ....
2 :1 signifie que pour 2dB d’augmentation en entrée, on aura une augmentation de 1dB en sortie.
D’une façon générale, pour les compresseurs, le niveau d’entrée est plus fort que le niveau de sortie
La courbe de transfert définit le rapport entre le niveau entrant dans le compresseur et le niveau sortant :
Courbe de transfert d’un compresseur de ratio de 2:1
Le point de rotation est le point où la courbe de transfert et la droite de l’unity gain se croisent.
Ainsi les premiers compresseurs avaient leurs point de rotation à 0dB : cela correspond au seuil. Ils travaillaient tout le temps ; ils écrasaient les niveaux forts au dessus de 0dB et relevaient les niveaux faibles au dessous de 0dB.
Dans le cas où l’on veut que la dynamique du signal corresponde à la dynamique du support d’enregistrement, ces compresseurs sont suffisants : si l’on enregistre une trompette qui joue entre –30dB et +30dB (donc 60dB de dynamique), voilà ce que l’on obtient :
Pour passer d’une dynamique de 60dB à une dynamique de 40dB, on applique un ratio de 1,5 : 1.
Grâce aux premiers compresseurs, on pouvait réduire la dynamique de l’instrument pour l’adapter la dynamique du support.
La courbe de transfert bascule autour du point de rotation :
On écrase les niveaux forts et on augmente les niveaux faibles. Donc on réduit deux fois la dynamique du signal. Ceci se faisait à la prise de son.
Le traitement appliqué est symétrique par rapport au point de rotation :
Au dessus de point de rotation : dB out < dB in
Sous le point de
rotation : dB out > dB in
Les anciens compresseurs travaillaient tout le temps ; ils appliquaient le ratio quelque soit le niveau d’entrée
3. Les nouveaux compresseurs
Ils ne travaillaient pas lorsque le signal d’entrée était sous le seuil ; ils travaillaient uniquement lorsque le signal dépassait le seuil.
Si l’on voulait fixer le seuil à –10dB, il y avait un problème ; ce type de compresseur avait un seuil fixe et basculaient autour du 0.
Si l’on voulait que le compresseur travaille à partir de –10dB, il fallait augmenter le gain en entrée de +10dB.
Cette technique s’appelle le Gain Before Threshold (ou input gain).
Ces compresseurs n’avaient pas de réglage de seuil mais on pouvait tout de même choisir un seuil grâce à l’input gain.
On pouvait donc mettre le seuil ou threshold où on le désirait.
4.
Compresseurs avec réglages de seuil
La compression connaît un défaut
majeur : en effet, le bruit de fond inévitable, signal très faible présent à
l’entrée du système de compression est fortement amplifié de par le principe
même de la compression de dynamique.
Ainsi les silences du message
sont-ils remplacés par une remontée de bruit de fond. Par contre quand le
signal arrive, l’amplification devient aussitôt plus modérée et le bruit de
fond, masqué par ce signal, devient inaudible. Des alternances de messages et
silences créent alors cet effet particulier dit de « pompage ».
Afin d’éviter cet effet désagréable
et pour donner une plus grande liberté d’action à l’utilisateur, on réalise la
compression à seuil.
Compression
à seuil
Un réglage (accessible à l’utilisateur), détermine
le niveau en dessous duquel la compression n’agira pas; ce niveau se nomme «
seuil de compression » (Threshold).
En dessous du seuil, l’ensemble peut néanmoins avoir
un gain. Ce paramètre est un réglage également accessible à l’utilisateur .
Un gain supérieur à 0dB est souvent nécessaire. En
effet, quand on utilise la compression à seuil, les niveaux « faibles » et
« moyens » restent inchangés, par contre les niveaux « forts » sont
abaissés, ce qui provoque une atténuation globale sensible du niveau sonore
moyen.
On rattrape cette atténuation grâce au gain de sortie ou output gain
Compression
à seuil avec gain
Niveau moyen 1 = niveau moyen 2 et niveau
max 2 < niveau max 1
5. Le limiteur
La limitation est une opération qui
consiste à imposer un niveau maximal constant en sortie quand le niveau
d’entrée passe au-delà d’une certaine valeur : c’est un dispositif qui est
utilisé essentiellement pour éviter la surcharge accidentelle des dispositifs
avals.
La limitation est une compression à
seuil, sans gain en général, avec un rapport de compression très grand (
souvent 100 : 1).
Limitation
La forme d’onde est conservée, contrairement à un
écrêteur ; le limiteur est un système «faussement linéaire».
6. Les constantes de
temps
Les constantes de temps sont deux paramètres disponibles sur les compresseurs.
a. L’Attack
C’est le temps que met le VCA pour appliquer la réduction de gain (définie par le ratio) lorsque le signal passe au dessus du seuil.
Il est important de savoir que le compresseur travaille immédiatement, dès que le signal dépasse le seuil.
Sur un signal percussif, il vaut mieux utiliser une attack rapide (car si l’attack est lente, la compression s’appliquera totalement qu’après la crête.
b. Le Release
C’est le temps que met le VCA pour rétablir l’unity gain lorsque le signal passe sous le seuil.
Pour réduire l’effet de pompage, il faut augmenter le release ; en effet, l’effet de pompage s’explique par le fait que les niveaux faibles remontent brusquement entre chaque niveau fort.
En fait, ils augmentent à la vitesse du release !
Si l’on augmente celui-ci, les niveaux faibles remonteront plus lentement.
7.
Les différents types de compresseurs
a. Le
compresseur RMS
Ce sont les vieux compresseurs à lampe ; ils ont temps d’attack assez long et sont donc plutôt efficaces sur les niveaux moyens (mais peu efficaces sur les crêtes
b. Le
compresseur peak
C’est le seul compresseur pouvant faire office de limiteur ; en effet il offre un temps d’attack de 50µs ! C’est suffisant dans le cas d’une crête.
Un compresseur peak peut travailler comme un RMS (temps d’attack plus long) mais pas l’inverse.
c. Le
compresseur à optocoupleur
Le signal de commande alimente une lampe qui s’éclaire plus ou moins en fonction de la tension. Une photorésistance réagit à la lumière.
En fonction de l’intensité de la lumière, la résistance subie par le signal est plus ou moins importante.
Ce système est plus fiable qu’un VCA car il n’y a aucun parasite au niveau du signal de commande : le compresseur travaille mieux
d. Le
compresseur multi-bandes
Un compresseur ordinaire ne peut pas distinguer les plages de fréquences dans un signal ; il compresse le signal indépendamment des fréquences.
Mais grâce au side chain, on peut insérer un égaliseur et privilégier la compression sur une bande de fréquence.
En augmentant cette bande de fréquence par l’intermédiaire de l’égaliseur, on fixe le seuil et la compression intervient dès que cette bande de fréquence dépasse le seuil.
Malheureusement, on ne peut faire ça que pour une bande de fréquence.
Le compresseur multi-bandes peut travailler sur plusieurs bandes de fréquences (de 4 à 6).
Parmi les réglages disponibles :
- Un seul réglage de seuil
- Un seul réglage de ratio
- Un level (input gain) par bande de fréquence
Ainsi, la compression multi-bande peut modifier le niveau moyen pour chaque bande de fréquence.