L'audio numérique pourrait-il un jour surpasser l'analogique ?

Depuis l'avènement du disque compact et l'accès généralisé des consommateurs à l'audio numérique qu'il a apporté, les gens se sont demandé si l'audio numérique pourrait ou non remplacer adéquatement ses prédécesseurs analogiques.

Alors que les formats numériques téléchargeables et en streaming ont augmenté en prévalence et en complexité, la discussion n'a fait que s'amplifier, de nombreux «puristes» analogiques purs et durs décriant la perte d'âme musicale qui, selon eux, fait notamment défaut dans les formats audio numériques modernes.

Mais je ne suis pas ici pour argumenter contre ou pour les puristes. Au lieu de cela, explorons les exigences d'un scénario dans lequel le son numérique pourrait être égal, voire surpasser, le son analogique. Et la réponse à la question "l'audio numérique pourrait-il jamais surpasser l'analogique ?" comporte en fait deux parties.

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Signaux continus ou discrets

Tout d'abord, il est important de comprendre exactement quelle est la différence entre le son analogique et le son numérique.

Le son analogique utilise un signal audio changeant continuellement ; ce qui signifie que les fluctuations de pression transmises à un haut-parleur à partir de son signal sont (au moins idéalement) une reproduction exacte du son original à chaque instant.

Le son numérique , quant à lui, est constitué d' une série d'étapes discrètes dans son signal audio qui changent assez rapidement pour donner l'illusion d'un signal continu lorsqu'elles sont transmises à un haut-parleur. Ceci est très similaire à la façon dont une vidéo est réalisée à partir d'une série d'images fixes qui sont parcourues assez rapidement pour donner l'illusion d'un mouvement fluide (d'où l'expression originale "images animées").

Ainsi, en fait, le son numérique tente de se rapprocher du signal continu du son analogique. Si les pas discrets du son numérique changent assez fréquemment et si les pas eux-mêmes peuvent être suffisamment rapprochés en niveau, alors l'approximation résultante est suffisamment proche d'un signal analogique continu pour tromper nos oreilles et notre cerveau.

Résolution des signaux

La vitesse du cycle d'étapes discrètes dans un signal sonore numérique est connue sous le nom de fréquence d'échantillonnage. La différence de niveau entre chaque étape est déterminée par le nombre total d'étapes potentielles, appelée profondeur de bits.

Par exemple, les fichiers audio de CD ont une fréquence d'échantillonnage de 44 100 Hz (Hz signifie Hertz, qui est l'unité de mesure décrivant le nombre de fois qu'un événement se répète chaque seconde, ce qui signifie qu'il produit 44 100 nouveaux pas de signal audio chaque seconde) et un peu profondeur de 16 bits (chaque bit est un chiffre binaire, de sorte qu'un signal numérique de 16 bits a un total de 2 à la puissance de 16, soit 65 536 valeurs numériques possibles entre sa valeur minimale et maximale).

Ce choix de valeurs pour les CD audio n'est pas un hasard. Selon une formule connue sous le nom de théorème de Nyquist, ce taux d'échantillonnage de 44 100 Hz est le minimum requis pour produire des sons avec des tonalités couvrant toute la gamme de l'audition humaine typique. Et le débit binaire de 16 bits était le plus grand qui pouvait être facilement utilisé et pouvait toujours contenir une quantité raisonnable de matériel sonore sur un disque compact standard.

Vous pourriez dire que puisqu'un signal numérique discret n'est qu'une approximation du son réel, quelle que soit sa qualité, il ne correspondra jamais entièrement au signal analogique continu exact réel et cela devrait donc être la fin de l'argument. Pourtant, la question demeure de savoir si le cerveau humain peut ou non faire la différence, en particulier avec un son numérique à plus haute résolution.

C'est une question pour les neuroscientifiques, donc pour nos besoins, nous éviterons complètement cette discussion et poserons plutôt la question : "les sources multimédias analogiques produisent-elles réellement un véritable signal audio continu en premier lieu ?"

Médias analogiques

Considérons le format de média analogique le plus courant, qui est un disque vinyle. Un disque vinyle possède des propriétés matérielles particulières qui déterminent son comportement, ses capacités et ses limites. De plus, une platine (tourne-disque) a également ses propres propriétés matérielles, capacités et limites.

Les disques vinyles sont généralement constitués d'une forme semi-rigide de PVC ou de chlorure de polyvinyle. Un signal analogique est gravé directement dans les rainures du disque, déformant ainsi le matériau PVC en réponse au signal. Une aiguille est utilisée sur un tourne-disque pour « lire » ces déformations microscopiques et reproduire ainsi le signal original qui les a créées.

Le matériau vinyle, le PVC, a une taille minimale associée à ses structures moléculaires et cristallines, ce qui signifie en fait que les déformations du matériau à l'intérieur des rainures du disque ne peuvent pas être modifiées à une échelle plus fine que ses propriétés physiques ne le permettent. Donc, en substance, il n'est pas vraiment capable de produire un signal parfaitement continu, mais plutôt une approximation de ce signal limité par les propriétés du matériau vinyle lui-même.

Vous ne pouvez pas faire une coupe dans les rainures du disque plus petite que la taille de la taille moléculaire minimale du matériau PVC - un seul monomère de chlorure de vinyle (également connu sous le nom de molécule de chloroéthène).

Résolution du signal des disques vinyles

Le PVC utilisé pour fabriquer les disques vinyles a une densité d'environ 1,3 gramme par centimètre cube. Et un seul monomère de chlorure de vinyle (une molécule de chloroéthène) a une masse d'environ 1,07x10 ^-22 grammes. Cela signifie qu'il y a quelque chose comme 12,1 x 10 ²¹ molécules individuelles de chloroéthène dans un espace de 1 centimètre cube de PVC dans les disques vinyles. Le plus petit morceau de ce matériau que nous pourrions couper d'un côté aurait une épaisseur d'une molécule, ce que nous pouvons maintenant estimer avoir une épaisseur d'environ 4,4 x 10 ^-8 cm.

La rainure d'un disque vinyle peut être découpée jusqu'à un maximum d'environ 0,008 cm de large, avec une moitié de la rainure associée au canal gauche et l'autre moitié au canal droit. Cela signifie que l'aiguille peut ressentir un changement de position maximum pour chaque canal jusqu'à 0,004 cm.

Ainsi, le nombre maximum de tranches moléculaires que nous pourrions raser pour former ce changement de taille de rainure maximum pour chaque canal serait d'environ 91 000. Cela suit le même principe que la profondeur de bits pour le signal audio numérique.

De plus, en raison de la vitesse à laquelle le disque tourne sur le plateau tournant, du diamètre du disque et de la largeur des rainures individuelles découpées dans le disque, il peut être démontré qu'il y a environ 45 000 cm de longueur totale de rainure disponible pour tailler. le signal dans (de chaque côté du disque) qui, s'il est rempli dans son intégralité, est lu sur une durée totale d'environ 1400 secondes à sa vitesse de lecture correcte.

Par conséquent, nous pouvons estimer que l'aiguille passe sur une moyenne d'environ 730 millions de molécules de chloroéthène individuelles chaque seconde pendant la lecture complète d'un côté du LP. Cela suit le même principe que la fréquence d'échantillonnage des signaux audio numériques. Il nous indique le plus petit pas reproductible en approximation de l'évolution dans le temps du signal audio d'origine.

Comparaison de la résolution du signal

Ainsi, avec certaines méthodes d'estimation (simplifiées, mais valables dans un sens approximatif), nous pouvons voir qu'un disque vinyle produit la même approximation discrète d'un signal sonore audio continu qu'un signal numérique avec une profondeur de bits d'au moins 16 bits et un échantillon taux de 730MHz.

Mais ne vous excitez pas tout de suite. Vous ne pouvez pas simplement prendre tous vos fichiers numériques WAV et MP3 et les convertir en fichiers audio 17 bits, 730 MHz et dire à tout le monde qu'ils sont aussi bons que le vinyle. Votre approximation d'un véritable signal audio continu, que ce soit par des moyens analogiques ou numériques, doit être maintenue à sa résolution maximale tout au long du processus pour dire qu'il répond à cette norme.

La plupart des équipements analogiques le font, mais pas la plupart des équipements numériques. Dès que vous utilisez une méthode numérique avec quelque chose de moins que la norme minimale qui correspond à un LP, vous aurez réduit la précision de votre approximation. Toute conversion ultérieure vers une résolution plus élevée fera simplement un meilleur travail de reproduction de votre approximation la moins précise appliquée au cours de votre processus de production.

De plus, alors que les enregistrements numériques 24 bits et 32 ​​bits sont facilement obtenus de nos jours, dépassant largement la profondeur de bits effective du vinyle, la réalité est que même le meilleur équipement d'enregistrement numérique disponible pour la plupart des gens aujourd'hui a une fréquence d'échantillonnage maximale de 192 kHz, ce qui est presque 4 000 fois plus lent qu'il ne faudrait pour suivre le taux d'échantillonnage effectif du vinyle.

Ainsi, la réponse à la première partie de notre question, traitant de la comparaison technique entre le son analogique et le son numérique, est : oui, théoriquement, le son numérique pourrait surpasser le son analogique. Le potentiel technique du son numérique moderne dépasse celui du son analogique en termes de profondeur de bits, mais il est largement inférieur à celui de l'analogique en termes de fréquence d'échantillonnage (actuellement).

Saveur analogique dans la chaîne de production

La deuxième partie de la question concerne le son réel du produit final. En d'autres termes, disons qu'à un moment donné dans le futur, la technologie permet à l'audio numérique d'atteindre le taux d'échantillonnage de 730 MHz ou supérieur que nous avons calculé, ce qui est nécessaire pour correspondre au taux d'échantillonnage effectif du vinyle. À cette époque, l'audio numérique ayant le potentiel technique d'atteindre ou de dépasser le potentiel technique de l'audio analogique, le son numérique serait-il aussi bon ou meilleur que l'analogique ?

Pour répondre à cela, il est important de réaliser qu'une grande partie de ce que les gens aiment dans le son provenant d'un vinyle est due à l'équipement de production analogique utilisé pour l'enregistrement et le mixage, et à sa saveur sonore particulière.

La modélisation numérique est devenue très bonne ces dernières années et peut probablement correspondre à de nombreux sons analogiques classiques que les gens préfèrent. Bien sûr, la technologie devrait également permettre de maintenir la même résolution sonore maximale tout au long du processus.

Mais, il semblerait prudent de dire que oui - en supposant que l'audio numérique atteindra finalement le même potentiel technique de reproduction sonore que les méthodes analogiques actuelles, et maintiendra cette résolution tout au long du processus de production, et que l'équipement analogique ou la modélisation numérique de l'équipement analogique sont utilisés dans le processus d'arôme sonore préféré - l'audio numérique doit pouvoir atteindre ou dépasser les performances du son analogique à la fois en termes de qualité technique et de préférence sonore.

Praticité

Fin de la conversation? Eh bien, regardons une dernière considération.

Imaginons que l'ensemble du processus ait été effectué au format numérique au niveau ou au-dessus de la norme technique qui correspond à l'analogique et utilise des effets de modélisation analogiques à cette norme. Si nous produisons un fichier audio WAV brut de qualité complète d'un enregistrement de trois minutes, la taille du fichier numérique à ce niveau serait presque 18 000 fois plus grande qu'un fichier WAV de qualité audio CD de la même longueur, ce qui lui donne un fichier taille de plus de 500 Go pour une seule chanson courte.

Avec ce problème de taille de fichier massive, ainsi que le fait que les taux d'échantillonnage numériques actuels sont bien en deçà de l'exigence de répondre aux normes du son analogique, il semble clair que le vinyle reste un bon choix.

Cependant, avec l'omniprésence des systèmes de lecture numérique, les progrès continus de la technologie du son numérique et la possibilité d'avoir des médias maintenus dans un environnement entièrement virtuel qui ne nécessite pas de stocker un gros disque vinyle et un équipement spécial pour le lire, c'est probablement seulement une question de temps jusqu'à ce que le son numérique surpasse enfin sans équivoque le son analogique.

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Erik Veach est le propriétaire et l'ingénieur du son principal de Crazy Daisy Productions, fournissant des services de mixage, de mastering et d'édition sonore depuis 2001. Il est le pionnier des systèmes de mastering intelligents automatisés, les introduisant pour une utilisation dans la production musicale professionnelle en 2003.