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La Revue des Télécom

Quelles technologies pour la hi-fi du futur ?
Revue des Télécom - juillet 1998

Direction technique des produits Lavardin Technologies


L'ingénieur propose, le marché dispose

Le marché de la hi-fi haut de gamme semble être devenu fou et échapper à toute rationalité. Le divorce est total entre les autorités techniques et les consommateurs. Sous la pression du marché, on assiste à un cas rare de résurrection technologique : le tube électronique de grand-papa est de retour pour l'an 2000.

Aussi déroutante que soit l'évolution actuelle du marché de la hi-fi, elle révèle finalement une grande clairvoyance des consommateurs. L'évolution technologique n'est pas gratuite : d'une part, elle représente souvent des investissements de plus en plus importants (recherche, développement, lancement sur le marché) ; d'autre part, elle doit engendrer un progrès réel, elle correspond donc à un besoin enfin satisfait, mieux satisfait ou satisfait à moindre coût.
Le marché est impitoyable : les innovations qui ignorent les besoins des consommateurs sont sans lendemain. L'évolution récente des technologies de la reproduction sonore, avec ses succès et ses échecs, en est une bonne illustration.


La technique au service de la musique

Depuis Charles Cros et Thomas Edison, la reproduction sonore a bien évolué mais son objet majeur est resté fondamentalement le même : la reproduction de sons musicaux. Le signal enregistré a un contenu esthétique et une dimension émotionnelle importante. C'est un art d'imitation, qui fait référence à un modèle à imiter et qui pose les problèmes esthétiques de fidélité de la copie.
La reproduction sonore est un progrès fantastique: aujourd'hui, il n'est plus nécessaire, comme à l'époque de Louis XIV, d'entretenir ses musiciens pour entendre de la musique quand nous en avons envie. La reproduction sonore, purement mécanique à ses débuts, a évolué vers l'électromécanique; ses évolutions techniques récentes sont, d'une part, celles des autres traitements de signaux électriques (passage du tube au transistor, puis aux circuits intégrés analogiques et enfin passage aux traitements numériques) et concernent, d'autre part, les moyens de stockage du signal sonore.
Le premier stockage était mécanique: un sillon gravé sur un cylindre, puis sur un disque. Les récentes évolutions ont été le passage au microsillon (accroissement de la qualité et de la durée) et l'enregistrement stéréophonique (obtention du relief sonore).
Si ces changements ont été généralement bien acceptés, une autre technologie a échoué: pourtant la quadriphonie, qui se proposait par l'utilisation de 4 canaux d'immerger l'auditeur dans un espace sonore total, pouvait sembler séduisante au départ. Les raisons de cet échec sont multiples: concurrence de deux systèmes non-satisfaisants (l'un trop compliqué, l'autre non rigoureux); et surtout ignorance des conditions d'écoute: une écoute inattentive n'est guère sensible au changement proposé, une écoute attentive est tournée (physiquement et psychologiquement) vers un objet sonore et ne demande surtout pas à être distraite. Bref, rien qui puisse motiver un consommateur à doubler le prix de son installation comme l'espéraient les constructeurs qui proposaient cette technologie. Le second moyen de stockage est magnétique. Longtemps limité par la manipulation des bandes, il a connu un grand succès après l'invention par Philips de la Minicassette. En apportant une facilité d'utilisation bien supérieure à celle du disque, elle s'est imposée dans toutes les conditions d'écoute où sa moindre qualité sonore n'était pas critique.
Les prétendants à sa succession n'ont pas eu le même succès: le D.A.T. (adaptation à la Minicassette des techniques numériques et de la tête tournante des magnétoscopes) conserve la souplesse d'utilisation de celle-ci et permet un gain important en qualité. Mais le consommateur ayant généralement réservé la Minicassette aux mauvaises conditions d'écoute, n'a pas voulu payer pour améliorer la qualité (ces appareils ayant un coût élevé pour être fiables). Le D.A.T. n'a plus qu'une utilisation marginale: les preneurs de son apprécient sa qualité, sa souplesse d'emploi et en acceptent le prix. Notons que le D.A.T. connaît une seconde vie en informatique où sa grande capacité est appréciée. La D.C.C. (Minicassette numérique) de Philips a eu moins de chance. Grâce aux traitements numériques de réduction de débit, elle évitait la tête tournante et ses problèmes de fiabilité. Mais le consommateur a continué à refuser de payer pour un gain qui lui apportait peu. Philips qui espérait reproduire le succès de la Minicassette a dû jeter l'éponge. Dernier venu dans les moyens de stockage, le support optique a connu le succès avec le C.D. (Compact Disc). Ce support présente (hormis ses dimensions plus réduites) des contraintes d'utilisation proches de celles du disque analogique mais il a permis pour la plupart des installations des gains significatifs en qualité. C'est un produit homogène qui correspond à une écoute de qualité (qualité d'attention et qualité de la reproduction). Sony essaie actuellement de promouvoir un mini C.D. enregistrable, le M.D. qui utilise sur un support optique capoté, petit et facile à manipuler, les techniques de compression de données de la D.C.C.. Après plusieurs années, le consommateur semble s'intéresser à ce support qui présente à la fois des avantages de qualité et de mise en ¤uvre par rapport à la Minicassette mais il est encore trop tôt pour savoir s'il l'adoptera. Certains voient déjà dans le futur D.V.D. (disque optique numérique vidéo) le successeur du C.D.. Sa très grande capacité permettrait dans le cas d'une utilisation purement sonore soit une meilleure qualité, soit une plus grande durée. Les gains de qualité espérés étant au delà des demandes de la plupart des consommateurs, la partie est loin d'être gagnée pour les fabricants.
Dans un domaine connexe, on peut mentionner l'échec du Laserdisc (support associant un signal vidéo analogique et un son numérique). Son échec est lié aux limites physiologiques du spectateur: l'attention portée à l'image rend insensible à la qualité du son. Et les enregistrements produits pour ce support ont été rapidement convertis en cassette vidéo dont le son est médiocre Le Home Cinéma qu'on nous propose aujourd'hui a une autre ambition : nous faire profiter à la maison du son du cinéma. Cet objectif est fallacieux, car le son au cinéma n'a pas besoin d'être de grande qualité (pour les raisons physiologiques citées ci-dessus) et ne peut pas être de grande qualité (pour les raisons physiques liées à la dimension des salles de projection et à la vitesse du son). Le seul intérêt de ce système, totalement incompatible avec la qualité de la reproduction sonore, demeure le côté spectaculaire du son. Peut-on bâtir un marché sur les seuls effets spéciaux? L'avenir nous répondra.


Un progrès contesté par les audiophiles

A chaque évolution technologique des techniques audio, il s'est toujours trouvé des voix qui se sont élevées pour en contester le bien fondé et prétendre que la nouvelle technologie ne valait pas l'ancienne. Les tubes étaient plus musicaux que les transistors, l'enregistrement analogique bien supérieur au son digital. Il est vrai que, dans tous les domaines, chaque nouvelle technique peut souffrir de défauts de jeunesse et qu'il lui faut souvent accomplir des progrès pour pleinement répondre aux espoirs qu'on avait placés en elle. Avec ces améliorations, les contestations plus ou moins fondées se calment et l'ancienne technique est souvent vite oubliée. Ce qui est particulier dans le domaine de la reproduction sonore, c'est que ces voix, provenant des utilisateurs les plus exigeants (ce qui est normal) ne se sont pas tues avec le temps mais qu'au contraire, elles se sont faites de plus en plus fortes et de plus en plus nombreuses. Les affirmations de ces fanatiques du son, qui prirent le nom d'audiophiles, firent d'abord sourire les ingénieurs, car elles étaient en totale contradiction avec leurs mesures et assez peu rationnelles. Les audiophiles prétendent que, si l'approche métrologique contredit les impressions d'écoute, c'est que les mesures faites ne sont pas pertinentes, que les ingénieurs n'y entendent rien. Ils prônent une approche empirique qui permet à tout bricoleur de penser qu'il sait mieux faire que tous les ingénieurs des fabricants de matériel audio. Il s'est développé dans ce milieu une contre-culture technique qui échappe à toute rationalité et qui propage des recettes aussi inexpliquées que surprenantes, mais imparables pour obtenir un bon son: les alimentations doivent être surdimensionnées (sic), il ne faut pas utiliser la contre-réaction, le choix des composants échappe à toute logique, les condensateurs doivent impérativement être découplés par des condensateurs d'autres technologies, la visserie doit être en cuivre, les conducteurs en cuivre sans oxygène, ........etc. Ces recettes semblent aller systématiquement à l'encontre des progrès accomplis et portent aux nues les réalisations les plus anciennes. Non seulement les tubes sont meilleurs que les transistors mais les meilleurs tubes ont été faits avant guerre. Les meilleurs haut-parleurs aussi.
Seuls les constructeurs japonais ont pris au sérieux ce mouvement à ses débuts ; ainsi un ingénieur de Sony m'a dit que sa compagnie avait entretenu une équipe importante pendant 16 ans pour comprendre le son des tubes. Elle fut dispersée quand elle estima avoir fait le tour de la question en pensant avoir essayé tout ce qu'il était possible de faire avec des transistors.
.../...







La réaction des fabricants

Mais finalement le sourire des ingénieurs s'est mué en embarras devant l'ampleur du phénomène de contestation. Celui-ci parti du Japon a fait de nombreux émules aux Etats-Unis et en Europe. L'ampleur de ce mouvement est devenu significative: dès 1994, une étude américaine chiffrait à 30 millions de $ le marché mondial des tubes pour l'audio et estimait à plusieurs centaines de millions de $ le marché des équipements correspondants (ces deux marchés étant en forte expansion). Les grands fabricants ne pouvaient rester indifférents à de tels chiffres. Pour exploiter le marché hi-fi haut de gamme, les constructeurs sont allés dans le sens des audiophiles et ont proposé des produits sensés avoir un son meilleur grâce à de mystérieuses recettes (le mépris pour la métrologie affiché par les consommateurs visés autorise toutes les affirmations). Une marque affiche même un gourou (forcément oriental) qui signe des lignes spéciales de produits (on pourrait se demander pourquoi les autres produits qui sortent des mêmes chaînes de fabrication ne profitent pas aussi de ce "merveilleux" savoir). L'engouement pour les amplificateurs à tube est tel que tout est devenu possible. Les chaînes de production d'un tube très réputé ont été remises en état aux Etats-Unis. On se remet à fabriquer certains appareils prestigieux du passé, mais comme certains éléments ne sont plus disponibles, ces répliques ont la réputation de ne pas valoir leurs modèles. La reconnaissance économique de la démarche audiophile a fini de décrédibiliser les autorités techniques du domaine et a ouvert la porte à toutes les impostures: le marché hi-fi haut de gamme est encombré d'appareils très chers utilisant des tubes et ayant un son plus mauvais que leurs équivalents à transistors. On n'hésite pas à associer les tubes aux derniers cris de la technologie dans des appareils conjuguant tubes et processeurs de signaux numérisés (DSP) ou tubes et microprocesseurs. Même les milieux professionnels se sont mis à cette mode et on s'est remis à faire des prises de son avec des préamplificateurs de micros à tubes et des magnétophones analogiques à lampes. Des revues sérieuses (voire professionnelles) dans les colonnes desquelles la polémique contre les audiophiles avait été très nourrie, se sont mises à publier des articles sur les électroniques à tube.


Un peu de rationalité

Tout cela est très déroutant pour ceux qui ont une bonne culture scientifique et il est tentant de rejeter les préférences d'un public qui se veut averti, en n'y voyant qu'autosuggestion nourrie d'obscurantisme. On peut aussi se dire que les technologies anciennes présentent plus de distorsions mais que celles-ci peuvent plaire : beaucoup de musiciens qui utilisent des instruments électroniques ne jurent que par les amplificateurs à tubes et utilisent des circuits générateurs de distorsion. Malheureusement, il suffit seulement de prendre la peine d'écouter pour comprendre qu'il y a un réel problème et que l'autosuggestion ne saurait tout expliquer. Après plusieurs années de recherche, on peut penser avoir trouver la clef du mystère. Les audiophiles ont raison quand ils disent que les mesures faites ne sont pas pertinentes. Ces mesures (de distorsion) semblent pourtant rigoureuses car elles utilisent des signaux de test sinusoidaux en application des théories mathématiques de Fourier et peuvent être d'une précision extrême (jusqu'à -140 dB). Malheureusement cette rigueur et cette précision sont illusoires car elles sont fondées sur des modèles simplistes des circuits et ignorent le monde réel. En particulier la notion de temps est perdue avec des signaux de test sinusoidaux: pour les mesures de distorsion linéaire (les théories de Fourier s'appliquent alors avec rigueur), on ne connaît que la phase; ainsi un écho parfaitement audible se traduit par une légère ondulation de la phase qui, si elle est remarquée, sera jugée inaudible. Pour les mesures de distorsion non-linéaire, l'utilisation des signaux de test sinusoidaux est d'une rigueur discutable (on fait l'hypothèse qu'un système est linéaire pour mesurer ses non-linéarités): on ne mesure avec ceux-ci qu'une fonction de transfert que l'on suppose être celle du matériel testé; mais si le comportement dynamique est différent du comportement statique, c'est-à-dire si la fonction de transfert est variable, on n'a pas mesuré LA fonction de transfert mais une fonction de transfert parmi d'autres; on est loin d'avoir caractérisé le comportement pour tous les signaux (pour plus de détails voir notre site Internet:www. lavardin.com).
Une analyse nouvelle et rigoureuse des circuits électroniques permet d'identifier de nombreux phénomènes discrets mais réels qui mettent en défaut les mesures traditionnelles. Cela m'a conduit à introduire la notion de distorsion de mémoire pour tenir compte des évolutions du comportement des circuits. Ces phénomènes sournois sont plus importants dans les circuits à transistors que dans ceux à tubes, pour plusieurs raisons. La première en est que le transistor utilise un matériau qui est le siège d'interactions thermoélectriques qui mémorisent le signal, alors que dans le tube les interactions entre le nuage d'électrons et les électrodes se font dans le vide. La seconde raison est que ces phénomènes de mémoire interviennent plus dans les circuits complexes (c'est pourquoi certains réalisent des amplificateurs à tubes compliqués ayant un mauvais son) et qu'ils peuvent être aggravés par un usage irréfléchi de la contre-réaction. Tout cela est parfaitement mesurable avec de nouvelles mesures utilisant d'autres signaux de test; on ne peut pas mesurer un comportement dynamique avec des signaux statiques; on ne sait pas tester la mémoire en ignorant le temps. D'une manière générale, on peut dire que s'il est bien connu que toute nouvelle technique peut générer de nouveaux phénomènes de distorsion, l'erreur a été de croire que les mesures traditionnelles permettaient d'appréhender toutes les formes de distorsion significatives en audio. Cette erreur a été alimentée par une conception simpliste des phénomènes auditifs qui les limite à une vague analyse spectrale quelque peu limitée par une réponse en fréquence particulière et des phénomènes de seuil et de masque.


De nouvelles technologies

Le renouveau du transistor.
Les phénomènes de mémoire identifiés dans les circuits électroniques peuvent être pris en compte et maîtrisés. Mais cela passe par une véritable révolution culturelle: Il faut cesser de penser aux circuits en termes de comportement sur des signaux sinusoidaux. Cela nous a permis de développer de nouvelles technique analogiques à transistor pour le traitement des signaux audio. La pertinence de cette démarche est confirmée par les réactions des personnes ayant écouté ces nouveaux circuits conçus et mesurés avec d'autres critères que les critères habituels. Le son produit par ceux-ci ne ressemble à rien de connu et permet d'entendre des sons qui passaient inaperçus avant. Même des fanatiques des amplificateurs à tube les trouvent meilleurs que les meilleurs amplificateurs à tube. Ce test est confirmé par des musiciens et des preneurs de son.
Ces techniques peuvent être appliquées à tous les domaines de l'électronique qui recherchent une grande précision en régime dynamique sur des signaux non-stationnaires allant jusqu'à 100kHz (les techniques traditionnelles étant limitées sans que la métrologie classique puisse le détecter). Nos techniques conviennent particulièrement pour toutes les applications recherchant une grande précision pour le traitement des signaux audio: reproduction sonore de grande qualité, veille ou analyse acoustique. Elles sont maintenant mises en oeuvre dans des amplificateurs hi-fi commercialisés sous la marque Lavardin Technologies pour les professionnels du son, pour les audiophiles et pour tous ceux qui, ayant une sensibilité musicale, veulent profiter au mieux de la reproduction sonore.
Cette démarche a aussi permis de maîtriser un autre domaine mis en lumière par les audiophiles: les liaisons électriques. Les câbles de liaison sont le siège de phénomènes de mémoire et d'avalanche parfaitement audibles mais non-mesurables et incompréhensibles avec des signaux sinusoidaux. Ici encore une démarche rationnelle permet de comprendre les problèmes et d'obtenir de meilleurs résultats qu'avec les approches empiriques.


La numérisation revue et corrigée

La préférence des puristes pour les supports analogiques n'est pas non plus sans fondements. Les circuits numériques sont parfaitement conçus pour des signaux sinusoidaux et cela incite leurs concepteurs à les estimer également parfaits dans le cas de signaux musicaux, malheureusement on utilise le théorème de Shannon sans plus de rigueur qu'on a utilisé l'analyse de Fourier. Certains pensent qu'il est possible de pallier les défauts du son numérique en accroissant la finesse de l'échantillonnage, mais je crains que cette fuite en avant technique ne traite pas bien le problème. Des études en cours sur ce sujet devraient déboucher sur de nouvelles technologies numériques. Il est également nécessaire d'étudier les systèmes de compression de flux de données audio. Ceux qui existent actuellement sont souvent basés sur des modèles psychoacoustique très contestables: ceux-ci résultent d'expérimentations conduites avec des signaux sinusoidaux. Or les phénomènes de perception acoustique sont hautement non-linéaires même à des niveaux très faibles. Ces modèles incluent ainsi des processus de masquage qui sont réels mais dont les extrapolations sont en contradiction avec l'expérience séculaire des musiciens (effets d'émergence du vibrato, par exemple).


Rester à l'écoute du marché

Il faut savoir rester à l'écoute du marché et comprendre les raisons de ses réactions (même quand celles-ci sont déstabilisantes pour notre savoir). L'exemple des circuits électroniques audio montre qu'une insatisfaction des consommateurs peut conduire à définir des principes technique novateurs et originaux même dans des domaines qui semblaient complètement explorés et ne faisaient plus l'objet d'aucune recherche.

(fin de cet article).

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