Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique
L'enregistrement et la reproduction du son
Numérisation, compression et stockage du signal audio — programme d'Enseignement scientifique de 1re (lycée général)
À propos de cette page
Du son au signal électrique
Le son est une onde mécanique longitudinale : il se propage par vibration des molécules du milieu (air, eau…). Pour enregistrer un son, on doit d'abord le convertir en signal électrique.
Le signal électrique ainsi obtenu est une image fidèle du son : ses variations de tension reproduisent les variations de pression de l'onde sonore.
Du signal analogique au signal numérique
Un signal analogique est continu mais difficile à stocker ou à transmettre sans dégradation. La numérisation consiste à le transformer en une suite de nombres entiers, stockables dans un fichier informatique.
1. L'échantillonnage : on mesure la valeur du signal à intervalles de temps réguliers $T_e$ (période d'échantillonnage).
2. La quantification : on arrondit chaque mesure à la valeur entière la plus proche sur une échelle discrète en $n$ bits.
On obtient ainsi une suite de nombres entiers (échantillons) qui représentent le signal d'origine de façon approximée.
La fréquence d'échantillonnage
La fréquence d'échantillonnage $f_e$ est le nombre d'échantillons prélevés par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz) ou en kilohertz (kHz).
L'oreille humaine perçoit les fréquences jusqu'à environ 20 000 Hz (20 kHz). La norme CD audio impose donc :
| Usage | Fréquence d'échantillonnage |
|---|---|
| Téléphonie (voix) | 8 000 Hz |
| CD audio | 44 100 Hz |
| Audio professionnel / DVD | 48 000 Hz |
| Studio haute résolution | 96 000 ou 192 000 Hz |
La quantification et la résolution
Après l'échantillonnage, chaque mesure est arrondie à un niveau entier. La résolution (ou profondeur de bits) est le nombre de bits $n$ utilisés pour coder chaque échantillon.
| Résolution | Niveaux possibles | Application typique |
|---|---|---|
| 8 bits | $2^8 = 256$ | Téléphonie, anciens systèmes |
| 16 bits | $2^{16} = 65\,536$ | CD audio |
| 24 bits | $2^{24} = 16\,777\,216$ | Studio professionnel |
Calcul de la taille d'un fichier audio
Connaître la fréquence d'échantillonnage $f_e$, la résolution $n$ et la durée $d$ permet de calculer la taille brute (non compressée) d'un fichier audio.
— Durée : $3 \times 60 + 30 = 210\,\text{s}$
— Taille en bits : $44\,100 \times 16 \times 2 \times 210 = 296\,352\,000\,\text{bits}$
— Taille en octets : $\frac{296\,352\,000}{8} = 37\,044\,000\,\text{octets} \approx 37\,\text{Mo}$
La compression des fichiers audio
Les fichiers audio bruts sont volumineux. La compression réduit leur taille en supprimant des données redondantes ou imperceptibles.
- Compression sans perte (lossless) : aucune information n'est supprimée. La décompression redonne exactement le fichier d'origine. Exemples : FLAC, ALAC. Taille réduite d'environ 30 à 50 %.
- Compression avec perte (lossy) : on supprime des informations jugées peu perceptibles par l'oreille humaine. Exemples : MP3, AAC, OGG. Réduction de 80 à 90 % possible.
La compression avec perte s'appuie sur la psychoacoustique : certaines fréquences sont masquées par d'autres (effet de masque). On peut les supprimer sans que l'oreille ne perçoive la différence.
- MP3 128 kbit/s : qualité correcte, faible taille
- MP3 320 kbit/s : haute qualité, taille plus grande
- FLAC : sans perte, débit variable (~700–1 000 kbit/s)
La reproduction du son
Pour reproduire un son numérique, il faut effectuer l'opération inverse : convertir le signal numérique en signal analogique, puis en vibrations sonores.
La chaîne de reproduction complète est donc :
Qualité sonore et critères de choix
Le choix d'un format d'enregistrement dépend de l'usage et des contraintes (stockage, bande passante, qualité souhaitée).
| Critère | Influence sur la qualité | Influence sur la taille |
|---|---|---|
| Fréquence d'échantillonnage $f_e$ élevée | Meilleure fidélité des aigus | Fichier plus volumineux |
| Résolution $n$ élevée | Moins de bruit de quantification | Fichier plus volumineux |
| Compression avec perte | Légère dégradation possible | Fichier beaucoup plus petit |
| Nombre de canaux (stéréo vs mono) | Spatialisation du son | ×2 pour la stéréo |
- Streaming musical : AAC ou MP3 à 128–320 kbit/s
- CD audio : WAV 44 100 Hz / 16 bits (sans perte)
- Enregistrement studio : 96 kHz / 24 bits
- Archivage haute qualité : FLAC
- Un microphone convertit le son en signal analogique.
- La numérisation comprend l'échantillonnage (prélèvement à $f_e$ fois par seconde) et la quantification (codage sur $n$ bits, soit $2^n$ niveaux).
- Théorème de Shannon : $f_e \geq 2 f_{max}$ pour restituer fidèlement le signal.
- Taille d'un fichier (bits) : $f_e \times n \times N_c \times d$.
- La compression sans perte (FLAC) conserve toutes les informations ; la compression avec perte (MP3) supprime les données imperceptibles.
- La reproduction fait appel à un CNA, un amplificateur et un haut-parleur.
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