Ce que le taux d’échantillonnage dit sur la musique numérique et la qualité du son

David Lee

15/2/2022

Traduction : Anne-Salomé Evéquoz

À première vue, le taux d’échantillonnage n’est qu’une indication technique de l’audio. Toutefois, si vous comprenez son fonctionnement, votre perception de ce qu’est en réalité la musique numérique changera.

Les bases

Le taux d’échantillonnage est aussi donné comme une fréquence, car elle définit justement la fréquence à laquelle l’amplitude est mesurée sur l’axe x ou, en d’autres termes, avec laquelle on prend un échantillon audio. En anglais, le taux d’échantillonnage se dit « sample rate ».

Le taux d’échantillonnage constitue l’élément qui distingue le plus clairement la musique analogique de la musique numérique. En effet, les supports analogiques possèdent un signal continu et n’ont donc pas de taux d’échantillonnage. Les méthodes d’enregistrement numérique enregistrent à des intervalles de temps déterminés.

Le malentendu

Tout cela donne l’impression que la musique analogique est supérieure à la musique numérique, comme si cette dernière n’était qu’une approximation de l’original analogique et ne pourrait jamais être aussi bonne. Toutefois, ce n’est pas le cas.

Le signal sonore doit toujours être transformé, même dans le cas d’un enregistrement analogique, et lors de la lecture, le son doit être reproduit à partir de l’enregistrement. Un haut-parleur convertit un signal électrique en un mouvement mécanique.

Dès la fin des années 70, les studios d’enregistrement ont commencé à utiliser l’enregistrement numérique. Cela signifie que même dans le cas d’un vinyle, le son analogique est converti en son numérique avant d’être reconverti en son analogique.

Il existe cependant encore une autre idée fausse plus fréquente sur la musique numérique qui a aussi à voir avec le taux d’échantillonnage.

Numérique ne veut pas dire en escalier

La mesure en intervalles réguliers marque donc des points isolés dans le diagramme à partir desquels une véritable courbe acoustique doit être créée lors de la lecture. Les fans de l’analogique pensent à tort que la courbe acoustique ressemble à ça :

Ou même à ça :

Mais ce n’est pas du tout le cas. La courbe produite à partir des données numériques ressemble plutôt à ça. Une courbe acoustique produite à partir de données numériques est tout aussi arrondie qu’une courbe analogique.

En d’autres termes, les données numériques individuelles fragmentées sont reconverties en véritables ondes sonores complètes. Est-ce de la magie ? Non, plutôt des mathématiques. Les courbes sont des fonctions mathématiques qui nécessitent une quantité minimale de points de mesure, c'est-à-dire un taux d’échantillonnage minimal. C’est ici que le théorème de Nyquist-Shannon entre en jeu.

Le théorème de Nyquist-Shannon

Ce théorème montre que lors d’un taux d’échantillonnage suffisamment élevé, une courbe acoustique identique à l’original analogique peut être reconstruite. De plus, ce théorème définit la hauteur que le taux d’échantillonnage doit avoir : le double de la fréquence la plus élevée qui doit être échantillonnée.

Le théorème s’applique cependant que si toutes les fréquences au-dessus de 22 050 Hz sont filtrées. Vous le voyez dans le graphique suivant. Les points noirs représentent les échantillons. Trois courbes de différentes fréquences relient ces échantillons. Vu que toutes les trois courbes passent par les échantillons, on ne sait pas dès le départ quelle est la fréquence correcte.

Cela dit, les courbes bleue et verte ont une plus haute fréquence que la rouge. Dans notre exemple, la courbe rouge est exactement de moitié aussi élevée que le taux d’échantillonnage. Si nous filtrons tout ce qui est au-dessus, les deux autres courbes disparaissent et cela devient clair.

Il ne s’agit pas d’un hasard. En reliant ces points, il n’est pas possible de tracer une courbe dont la fréquence est plus basse que celle de la courbe rouge. C’est exactement ce que montre le théorème de Nyquist-Shannon.

Le suréchantillonnage

Le théorème de Nyquist est considéré comme indiscutable. Malgré tout, il existe des convertisseurs numérique-analogique dont le taux d’échantillonnage est plusieurs fois supérieur à celui des CD. Est-ce inutile ? Serait-ce même un attrape-nigaud ?

Pas forcément. Le fait est que le théorème de Nyquist dit seulement que les hautes fréquences doivent être filtrées, mais pas de quelle manière. En effet, jusqu’à aujourd’hui, il n’est pas possible de tout filtrer parfaitement à partir d’une fréquence donnée.

À un taux d’échantillonnage de 44,1 kHz, un filtre passe-bas qui ne filtre rien jusqu’à 20 kHz et tout à partir de 22,05 kHz est nécessaire. Ainsi, il n’y a qu’une petite gamme de fréquences comme transition. Si le signal n’est pas filtré parfaitement, il peut arriver que l’onde sonore soit reflétée à gauche et qu’une sorte de pré-écho se produise.

Avec un taux d’échantillonnage élevé, cette zone de transition augmente et cet effet est plus facile à éviter. Dans les studios d’enregistrement, les taux d’échantillonnage élevés sont monnaie courante depuis longtemps. Cela est toutefois relativement nouveau pour ce qui est de la lecture.

Bilan

David Lee

Senior Editor

David.Lee@digitecgalaxus.ch

Mon intéret pour l'informatique et l'écriture m'a mené relativement tôt (2000) au journalisme technique. Comment utiliser la technologie sans se faire soi-même utiliser m'intéresse. Dans mon temps libre, j'aime faire de la musique où je compense mon talent moyen avec une passion immense. plus

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