Connaître l’audio : première partie de la distorsion

Si vous suivez les critiques audiophiles, vous saurez que leur commerce de stock est une façon très élégante de ne rien dire de substantiel quantifiable sur le sujet tout en ayant l’air bien informé sur les différences imaginaires entre des appareils qui sont tous de toute façon d’une qualité exceptionnelle. Si vous nous suivez, nous vous dirons que les seules critiques qui comptent sont les mesures réelles des performances audio et les tests d’écoute à l’aveugle. Nous n’avons pas besoin de vous dire comment écouter de la musique, mais il est peut-être temps dans notre Connaître l’audio série pour voir comment les performances audio sont mesurées.

Avant d’atteindre le banc, il est d’abord nécessaire de se demander ce que nous mesurons. Quelles sont les propriétés qui comptent dans une chaîne audio, ou en d’autres termes, qu’est-ce qui fait qu’un appareil audio est bon ?

Pourquoi une guitare rock sonne-t-elle en colère alors qu’une guitare classique ne le fait pas ?

Deux traces d'oscilloscope montrant la FFT d'une onde carrée et d'une onde sinusoïdale
Un oscilloscope FFT n’est peut-être pas le meilleur instrument pour le montrer, mais comparez le spectre d’une onde carrée (en haut) et d’une onde sinusoïdale (en bas).

Il y a bien sûr beaucoup de choses qui peuvent être mesurées, mais celle qui compte le plus dans ce contexte est probablement la distorsion. Vous êtes probablement habitué à la distorsion en musique, alors qu’une guitare classique sonne comme une corde pincée, une guitare rock sonne… en colère.

C’est parce que le guitariste rock utilise une pédale d’effets qui induit une distorsion audible sur le son de guitare autrement assez propre. Il existe de nombreuses pédales d’effets pour guitare différentes, mais certaines des plus simples conduisent simplement un amplificateur à écrêter pour créer quelque chose de plus proche d’une onde carrée. Mais pour comprendre ce qui se passe réellement, il est nécessaire de regarder la forme d’onde non pas dans le domaine temporel comme une onde sinusoïdale ou une onde carrée, mais dans le domaine fréquentiel comme un spectre.

Si vous deviez prendre un oscillateur à onde sinusoïdale parfaite et le brancher sur un analyseur de spectre, vous vous attendriez à voir un seul pic correspondant à la fréquence de l’onde sinusoïdale. Si vous appliquez une distorsion à cette onde sinusoïdale, l’analyseur de spectre commencera à montrer des pics à d’autres fréquences en fonction du type de distorsion appliqué.

C’est un sujet que nous avons examiné en détail ici à Hackaday dans le passé, et nous supposons que beaucoup d’entre vous seront familiers avec la dérivation mathématique d’une onde carrée à partir d’une série d’ondes sinusoïdales harmoniques. La distorsion dans un appareil audio est mesurée en examinant ces pics supplémentaires dans le spectre et est exprimée sous forme de valeur en dB ou de pourcentage indiquant leur force relative par rapport à celle du signal d’origine. Pour ces pédales de guitare, le chiffre sera de l’ordre de dizaines de pour cent, alors que pour un amplificateur audio de bonne qualité, ce ne sera qu’une fraction de pour cent. Il est également habituel de voir le chiffre cité comme THD + N qui indique la composante de bruit dans le reste du spectre, ainsi que de le voir cité pour une seule fréquence (généralement 1 kHz).

Mesurer la distorsion est un processus superficiellement simple, mais dans la pratique, la construction d’un instrument pour le faire efficacement n’est pas une tâche facile. Un appareil testé est alimenté avec une onde sinusoïdale aussi pure que possible, et la tension efficace de sa sortie est mesurée à la fois directement à partir de celui-ci et à travers un filtre coupe-bande qui supprime la fréquence fondamentale de l’onde sinusoïdale. L’idée est que le signal filtré ne renvoie que la composante de la sortie qui est due à la distorsion, et peut donc être comparé au chiffre complet pour dériver ce chiffre relatif.

Le concepteur de l’instrument a donc plusieurs obstacles importants à surmonter, car non seulement leur oscillateur et leur filtre doivent être aussi parfaits que possible, mais le reste de leur chaîne de signaux analogiques ne doit pas contribuer à la distorsion mesurée. Ceci est rendu encore plus difficile par un instrument typique nécessitant ces caractéristiques sur une large gamme de fréquences; si un filtre à fréquence unique est un défi, alors un filtre variable l’est beaucoup plus. Un analyseur audio moderne sera généralement une combinaison contrôlée par ordinateur d’instrumentation numérique et analogique avec l’oscillateur et les mesures remplacés par un DAC et un ADC de très haute qualité, tandis que le filtre conserve un circuit analogique.

D’une ampoule au domaine numérique

Le premier produit HP était le HP200A, un oscillateur audio de haute qualité qui avait une ampoule à incandescence comme élément non linéaire dans ses circuits comme moyen de stabiliser l’amplitude et ainsi de réduire la distorsion de sa sortie. Cette idée constitue la base des étapes suivantes pour réduire la distorsion de l’oscillateur, avec des circuits de rétroaction et AGC améliorés.

Schéma de circuit d'un oscillateur Wien Bridge stabilisé
Un équivalent moderne du circuit HP200A, complet avec ampoule. À partir de la note d’application 43 de Linear Technologies.

Il est suggéré de lire la note d’application 43 de Linear Technologies, dans laquelle Jim Williams présente une introduction complète à ce sujet, puis la note de Cheng-We Pei sur un oscillateur à faible distorsion utilisant un convertisseur RMS-DC dans sa boucle de rétroaction.

Malheureusement, la plupart des générateurs de fonctions de paillasse bon marché ne fournissent pas ce faible niveau de distorsion, soit en s’appuyant sur un filtre passe-bas pour déformer une onde carrée en quelque chose se rapprochant d’une onde sinusoïdale, soit en utilisant un simple DAC pour la synthèse numérique, donc pour la mesure audio cela vaut la peine de chercher un ancien oscillateur analogique mal aimé.

HP a continué à fabriquer des dérivés du 200A pendant de nombreuses décennies et d’innombrables entreprises ont produit des clones et des copies, il est donc relativement facile de trouver des oscillateurs plus anciens sur le marché de l’occasion ou des surplus.

Le reste des composants est un peu plus difficile à trouver, car ces filtres sont coûteux à produire et donc un analyseur audio peut être un appareil très coûteux. Même les instruments plus anciens conservent leur valeur, et je me considère comme exceptionnellement chanceux d’avoir sécurisé mon analyseur de distorsion HP334A entièrement analogique des années 1970 sans me séparer du PIB d’un petit pays. Avec un ADC de haute qualité, il est possible d’adopter l’approche du filtrage dans le domaine numérique, mais cela peut dépasser les capacités d’une carte son banale. J’ai étudié cette idée il y a quelques années dans un article du poisson d’avril sur les câbles en or, et bien que le câble soit une blague, c’est toujours une technique de mesure valable sur laquelle je pourrais revenir en temps voulu.

Cela aurait donc dû servir d’introduction de base à la distorsion audio et pourquoi il est important d’en tenir compte pour votre plaisir d’écoute. Il y aura une suite Connaître l’audio article sur la distorsion à suivre, dans lequel nous examinons les mesures de distorsion dans le monde réel et examinons de plus près les instruments.

François Zipponi
Je suis François Zipponi, éditorialiste pour le site 10-raisons.fr. J'ai commencé ma carrière de journaliste en 2004, et j'ai travaillé pour plusieurs médias français, dont le Monde et Libération. En 2016, j'ai rejoint 10-raisons.fr, un site innovant proposant des articles sous la forme « 10 raisons de... ». En tant qu'éditorialiste, je me suis engagé à fournir un contenu original et pertinent, abordant des sujets variés tels que la politique, l'économie, les sciences, l'histoire, etc. Je m'efforce de toujours traiter les sujets de façon objective et impartiale. Mes articles sont régulièrement partagés sur les réseaux sociaux et j'interviens dans des conférences et des tables rondes autour des thèmes abordés sur 10-raisons.fr.