Analyse approfondie : propagation du son du piano et implications pour la prise de son

Le piano en tant que source sonore 

Champ proche vs. champ lointain 

Le champ proche est souvent défini comme la région autour d’une source sonore où la pièce n’a aucune influence et, pour le piano, cela correspond essentiellement à la zone où les microphones sont très proches des cordes. Cependant, ce n’est pas l’endroit d’où une personne écouterait normalement. Il existe une autre manière de définir le champ proche : du point de vue du pianiste au clavier. C’est pourquoi l’ingénieur du son et le pianiste ne sont pas toujours d’accord sur ce qui sonne le mieux. 

Le champ lointain est l’endroit où se trouvent les autres auditeurs. Ici, l’acoustique de la pièce fait partie de l’expérience. Comme pour de nombreux instruments acoustiques, en particulier en musique classique, l’instrument et la salle, ensemble, offrent l’expérience complète. Le son est rayonné dans de nombreuses directions et se combine dans la pièce. Il s’agit alors de trouver l’équilibre entre l’instrument et la salle. 

Conclusion: Soyez conscient du point de vue de l’auditeur. 

Que faut-il / ne faut-il pas capter ? 

En général, nous souhaitons capter toute la plage de fréquences de l’instrument ainsi que toute sa dynamique. Nous pouvons également vouloir restituer la taille perçue de l’instrument, tout ce qui fait le caractère « grand » du piano. 

Nous ne souhaitons pas capter les bruits mécaniques secondaires du piano, tels que l’activation des pédales, le mouvement du mécanisme, etc. Les vibrations mécaniques du cadre et du meuble doivent également être évitées dans les pistes enregistrées. 

De plus, nous voulons éviter de capter le son d’autres instruments ou d’autres sources proches du piano. 

Conclusion: Assurez-vous que les bruits mécaniques de l’instrument ne soient pas captés par les microphones.  

Quel type de source sonore est le piano ? 

La propagation du son autour du piano est complexe. C’est pourquoi nous consacrons tant d’énergie au choix des microphones, à leur placement et à d’autres facteurs lors de l’enregistrement — ou de l’amplification — de l’instrument. 

En champ lointain (> 5 mètres), le piano peut généralement être considéré comme une source ponctuelle. Cela signifie que le niveau de pression sonore (SPL) diminue de 6 dB à chaque doublement de distance (en l’absence de réverbération). 

Close to a single string, it may be regarded as a line source (the level drops by 3 dB for each doubling of the distance). However, because more than one string is normally played, the sound field above the soundboard approaches that of a plane source, which ideally provides a constant SPL. Not being a point source also means there is (almost) no proximity effect with gradient microphones (cardioids). 

Here are some measurements taken with our ten-mic array in a vertical position above the soundboard, centered above the middle of the frame (middle C), and with no lid on the piano. The lowest microphone position is 10 cm above the strings. 

La courbe rouge continue montre comment le niveau de pression acoustique s’atténue entre 10 cm et 100 cm au-dessus des cordes, comme s’il s’agissait d’une moyenne entre une source linéaire et une source plane.La mesure est effectuée sans le couvercle. Les lignes pointillées indiquent l’atténuation théorique des sources ponctuelle, linéaire et plane, respectivement. 

Conclusion: Le SPL est relativement constant autour de l’instrument comparé à de nombreux autres instruments. Cela offre également la liberté d’utiliser des omnidirectionnels ou des cardioïdes, selon le goût. Il n’y a pratiquement pas d’effet de proximité.  

Comportement de la corde  

La fréquence fondamentale de la corde dépend de ses dimensions physiques, de la tension, de la raideur et de la masse de la corde. De plus, le timbre est dans une certaine mesure influencé par l’endroit et la manière dont la corde est frappée, au moins pendant la phase initiale du son. Sur le piano, les marteaux ont une position fixe le long de la longueur de la corde. (Sur une guitare, la corde peut être frappée ou pincée à différentes positions le long de sa longueur, ce qui peut modifier son comportement tonal.)  

Lorsque nous prenons en compte ces paramètres physiques, nous constatons que l’expérience, l’écoute, la tradition et le savoir-faire artisanal dans la fabrication des pianos ont permis de créer un instrument dans lequel les notes de basse fréquence sont produites par une ou deux longues cordes épaisses et filées, tandis que les notes de haute fréquence sont produites par trois cordes plus courtes et plus fines. Cette différenciation est réalisée afin d’assurer l’égalité et la cohérence sur l’ensemble de la plage de fréquences. 

En principe, la longueur d’une corde n’a pas de relation directe avec la fréquence produite, contrairement à un orgue. En théorie, une corde de même longueur pourrait produire toute la gamme de fréquence. 

La corde est suspendue entre deux points. Lorsque le marteau frappe la corde, une impulsion se propage le long de celle-ci. Après un court instant, des ondes stationnaires apparaissent. Ces ondes ont des longueurs d’onde correspondant à des fractions de la longueur de la corde. La corde vibre à la fois verticalement et horizontalement, ce qui provoque une rotation. Ces mouvements ont des fréquences légèrement différentes. Les propriétés physiques de la corde peuvent donc générer des partiels inharmoniques, notamment lorsque la corde devient plus épaisse et donc plus rigide 

Il convient de mentionner que les pianos doivent être « étirés » dans l’accord des fréquences élevées pour compenser la compression de l’échelle par l’oreille humaine. Les fréquences les plus élevées sont donc accordées légèrement au-dessus de la valeur mathématique théorique.  

Conclusion: Des partiels inharmoniques sont toujours présents et font partie des caractéristiques sonores du piano. 

SPL par rapport à la position le long de la corde 

Le niveau de pression acoustique (SPL) le long d’une corde peut varier selon la forme d’onde de la corde et sa manière de vibrer. Voici une mesure réalisée le long d’une seule corde (A1), à partir de 10 cm au-dessus du marteau, avec un espacement de 10 cm le long de la corde, jusqu’à 90 cm de la position du marteau. 

Figure 2. Mesure du niveau de pression acoustique (SPL) en fonction de la position le long d’une seule corde (A1 = 55 Hz). La rangée de microphones est composée de 10 unités, espacées de 10 cm. 0 cm correspond à la position juste au-dessus du marteau. La corde a été frappée avec une force correspondant à piano, mezzo-forte et fortissimo, respectivement.  

Conclusion: La mesure montre que la différence de niveau le long de la corde est d’environ 2 à 3 dB. Elle montre également que la différence entre p (piano) et mf (mezzo-forte) est d’environ 6 dB, tout comme la différence entre mf et ff (fortissimo), qui est également d’environ 6 dB.  

Corrélation en fonction de la position le long de la (des) même(s) corde(s). 

Lors de l’enregistrement audio visant à produire un son immersif et enveloppant, on recherche une corrélation optimale entre les canaux. Si celle-ci est trop élevée, la reproduction se rapproche d’un signal mono : le haut-parleur le plus proche détermine la direction perçue, les autres deviennent difficilement audibles et aucun effet d’enveloppement n’est ressenti. Si la corrélation est trop faible, le résultat donne l’impression de sources distinctes et non liées entre elles. 

Lors de la prise de son d’un piano, il est courant de placer deux microphones au-dessus des cordes : l’un principalement destiné à la région des basses, et l’autre aux fréquences plus élevées, afin d’obtenir une image stéréo satisfaisante. Dans le cas du piano, il existe au moins une dimension supplémentaire à prendre en compte : l’axe avant/arrière. En effet, il est possible d’utiliser simultanément deux couples de microphones stéréo, c’est-à-dire un couple placé juste au-dessus des marteaux et un autre plus loin le long des cordes. 

Dans l’enregistrement de niveau mentionné précédemment, réalisé avec 10 microphones disposés le long de la corde, ce même enregistrement est utilisé pour illustrer une prise de son immersive du piano. 

La corrélation entre les différentes positions a été mesurée. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous. Dans tous les cas, le microphone 00, placé au-dessus du marteau, sert de référence (canal 1), tandis que l’autre canal (2) contient successivement les signaux des microphones 10 à 90.

Tableau 1. Corrélation entre différentes positions au-dessus de la même chaîne (A1). Pour plus d'informations sur la corrélation, consultez l'encadré à la fin de cet article.

Figure 3. Voici les dimensions de la corde mesurée (A1), la position du marteau et les positions de tous les microphones.  

Écoutez l’augmentation de l’effet d’enveloppement obtenue en enregistrant la même corde à deux positions différentes. 

Conclusion: Il vaut la peine d’expérimenter avec davantage de microphones à l’intérieur du piano. Cela offre la possibilité de créer un contenu enveloppant au sein d’un même instrument de musique. 

Focalisation du champ sonore. 

La position du couvercle peut modifier la manière dont le piano projette le son. 

Nous avons effectué un test dans lequel la rangée de microphones était placée verticalement au-dessus du centre de la table d’harmonie (comme dans la figure 1). Cet enregistrement a été utilisé comme référence pour des positions situées à l’extérieur du piano, plus précisément à 60 cm de la courbure du piano, perpendiculairement à l’ouverture du couvercle. 

Le microphone le plus bas (Mic 00) était positionné à 10 cm au-dessus des cordes pour l’ensemble des mesures. (Voir figure 4) : 

Figure 4. Positionnement de la rangée de microphones devant le piano, à 60 cm de la courbure.  

Le couvercle était maintenu par des supports de 12 cm (petit), 28 cm (moyen) et 80 cm (grand). 

Les spectres de fréquence suivants illustrent certains des résultats de cette expérience. Le niveau de pression acoustique (SPL) de chaque mesure est également indiqué. 

SPL, Mic 90 

Over strings, no lid:        89 dB 

60 cm from arch, no lid:        86 dB 

60 cm from arch, small stick:    80 dB 

60 cm from arch, medium stick:    79 dB 

60 cm from arch, long stick:     78 dB 

SPL, Mic 40 

Over strings, no lid:        90 dB 

60 cm from arch, no lid:        87 dB 

60 cm from arch, small stick:    82 dB 

60 cm from arch, medium stick:    82 dB 

60 cm from arch, long stick:     81 dB 

SPL, Mic 00 

Over strings, no lid:        95 dB 

60 cm from arch, no lid:        87 dB 

60 cm from arch, small stick:    81 dB 

60 cm from arch, medium stick:    81 dB 

60 cm from arch, long stick:     81 dB 

Figure 5. Résultats sélectionnés issus des mesures (spectres en tiers d’octave).  

Conclusions: Tout d'abord, ces mesures sont basées sur une analyse par tiers d'octave, qui est généralement un bon indicateur du timbre d'un spectre complet. Cependant, les filtres sont trop larges pour montrer les harmoniques individuelles.  

Il semble qu'une position située à environ 50 cm au-dessus des cordes (Mic 40) offre le spectre le plus équilibré, un meilleur rendu des basses fréquences et un niveau de pression acoustique légèrement plus élevé.  

Cependant, le timbre au microphone situé à 1 mètre au-dessus des cordes, à 60 cm de la courbure du piano (Mic 90), présente un peu plus de présence qu’aux autres positions.  

Si la position du microphone est trop basse, le cadre du piano créera dans une certaine mesure une zone d’ombre acoustique.

La variation du niveau de pression acoustique (SPL) en fonction de la longueur du support du couvercle semble plus faible que ce que l’on pourrait attendre. À l’écoute des enregistrements, des réflexions uniques provenant du couvercle peuvent provoquer un filtrage en peigne. Mais en raison de la « large » source sonore, l’effet est presque imperceptible.

Figure 6 : Comparaison du niveau de pression acoustique (SPL) provenant de trois microphones de la rangée. Cela montre que, même avec une longue tige de support du couvercle, le niveau est le plus élevé au Mic 40 (50 cm au-dessus du plan des cordes).

À l’intérieur / à l’extérieur du piano

Lors du placement de microphones dans ou autour d’un piano, ceux-ci peuvent capter des sons provenant d’autres sources. Cela doit être particulièrement évité lorsque les microphones sont utilisés pour amplifier l’instrument.

Nous avons effectué des mesures afin de quantifier le rôle du couvercle. Il est courant de fermer le couvercle lorsque le piano est amplifié. Cependant, il arrive que cela ne produise pas l’effet souhaité.

Notre rangée de microphones a donc été placée au-dessus des cordes. (Seule la position au niveau du marteau est présentée ici).

Une source externe, un haut-parleur (PA), a été placée dans la direction de l’ouverture du couvercle. Le signal diffusé par le haut-parleur était un bruit rose. (Voir figure 4). Le résultat présenté correspond à une moyenne des mesures des 10 microphones.

Figure 7. Configuration pour l'enregistrement d'une source sonore externe (haut-parleur PA). 

Figure 8. Il s'agit de la différence entre les positions du couvercle. Les trois courbes montrent la différence entre les sons mesurés à l'intérieur du piano : 

Courbe bleue : tige courte (SS) vs. couvercle fermé (CL). On observe un gain dans les basses fréquences lorsque le couvercle est fermé. Au-dessus de 200 Hz, on constate une atténuation du son externe.

Courbe orange : tige longue (LS) vs. couvercle fermé (CL). On observe un gain dans les basses fréquences lorsque le couvercle est fermé. Au-dessus de 200 Hz, on constate une atténuation du son externe.

Courbe verte : sans couvercle (NL) vs. couvercle fermé (CL). L’atténuation dans les basses fréquences n’existe que parce que le niveau est plus élevé lorsque le couvercle est retiré.

Conclusion : Fermer le couvercle ne réduit les sons externes qu’au-dessus de 200 Hz. Aux basses fréquences, on peut malheureusement observer un gain d’environ 5 dB !

Encadré technique 1 :

Méthode d’analyse

Nous avons conçu une rangée de microphones rectiligne composée de 10 microphones omnidirectionnels (4060 CORE+), montés sur une tige fine avec un espacement de 10 cm entre chaque microphone. L’adaptateur Phantom (DAD9001) a été utilisé avec l’ensemble des microphones.

Les microphones étaient connectés à un convertisseur Digital Audio Denmark et enregistrés dans ProTools (32 bits, 96 kHz).

Les microphones ont été calibrés à l’aide d’un calibrateur acoustique (B&K 4230).

Les spectres ont été analysés à l’aide de Smaart Suite et d’EASERA.

Les spectres des frappes de touches (isolées ou sur l’ensemble du clavier) ont été analysés à l’aide d’une moyenne infinie (> 2 minutes par séquence, en boucle), puis les résultats ont été transférés dans un tableur pour leur présentation.

L’instrument utilisé pour les mesures était un piano Kawai.

Fact Box 2:

À propos de la corrélation

En audio, on mesure la corrélation entre les deux canaux d’un signal stéréo. La plupart des stations de travail audio numériques (DAW) intègrent un indicateur de corrélation. Celui-ci est parfois également appelé indicateur de phase. Techniquement, il s’agit du cosinus de l’angle de phase entre les canaux. La valeur peut donc varier de -1 à +1. Si les canaux sont complètement en opposition de phase, l’indication est « -1 ». S’ils sont parfaitement en phase, l’indication est « +1 ».

Dans une production immersive, il est avantageux que les canaux ne soient pas totalement corrélés (sinon, on n’entendra que le haut-parleur le plus proche). En général, le coefficient de corrélation entre les canaux devrait se situer autour de 0,2. Un facteur temporel intervient dans la moyenne utilisée pour lisser les signaux et stabiliser l’indication. Cependant, cette moyenne fournit également la valeur globale de corrélation.

Réf. : Brixen, Eddy B. : Audio Metering, 3e édition, Routledge.