Compresseur (audio)

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Un rack de compresseurs analogiques dans un studio d'enregistrement

Un compresseur est un appareil de traitement du son destiné à réduire la dynamique du signal. C'est un effet audio analogique ou numérique qui réduit le niveau des parties du signal qui dépassent durablement un seuil déterminé par l'utilisateur.

Les compresseurs se présentent soit comme un appareil électronique séparé, le plus souvent à mettre en rack, soit comme une pédale d'effet, soit comme un module intégré à une console de mixage ou un plug-in audio de station audio-numérique.

Principe[modifier | modifier le code]

Un compresseur est un amplificateur dont le gain varie, relativement lentement, en fonction de la valeur du signal à son entrée.

Rapport et seuil de compression[modifier | modifier le code]

Différents taux de compression
La relation entre le niveau d'entrée, le niveau de sortie et la réduction de gain du compresseur.

Le compresseur réduit le niveau du signal audio quand son amplitude dépasse un certain seuil (threshold), dans le rapport de compression (ratio) choisi. Il transmet tel quel un signal dont le niveau est constamment en dessous du seuil ; il atténue un signal de niveau constant au dessus du seuil de telle sorte que le niveau augmente R fois moins vite que celui d'un signal non traité.

Pour des signaux de niveau constant, cela revient à :

\begin{cases}
S=E &\text{ si } E<T
\\
S={E-T \over R}+T &\text{ si } E>T
\end{cases}
E et S sont les niveaux des signaux d'entrée et de sortie exprimés en décibel, T le niveau du seuil (Threshold), et R le rapport de compression (Ratio).
Exemple  :

Un compresseur a un rapport de 4:1 avec un seuil à 0 dB agit ainsi :

  • Un signal dont le niveau ne dépasse jamais 0 dB n'est pas modifié.
  • Un signal de niveau constant 10 dB est réduit à 10÷4 = 2,5 dB.
  • Un signal de niveau constant 16 dB est réduit à 16÷4 = 4 dB.

De même, avec un seuil à -10 dB :

  • Un signal dont le niveau ne dépasse pas -10 dB n'est pas modifié.
  • Un signal de niveau constant -6 dB est 4 dB au dessus du seuil ; il est donc réduit à -10 + (4÷4) = -9 dB.
  • Un signal de niveau constant 0 dB est 10 dB au dessus du seuil ; il est donc réduit à -10 + (10÷4) = -7,5 dB.
  • Un signal de niveau constant 10 dB est 20 dB au dessus du seuil ; il est donc réduit à -10 + (20÷4) = -5 dB.

Les compresseurs présentent généralement des modulomètres permettant de visualiser les niveaux d'entrée et de sortie, ainsi que la réduction de gain courante.

Attaque et retour[modifier | modifier le code]

Le temps d'attaque et de retour d'un compresseur.

Ces relations valent pour des signaux constants, mais l’intérêt du compresseur réside dans le fait qu'il agit avec des délais pour l'attaque, au dépassement du seuil, et pour le retour, quand le niveau revient en dessous du seuil. La compression peut affecter le son discrètement ou de manière très audible et caractéristique, bénéfique ou adverse. Par exemple, si le signal comporte une partie à fort niveau, très variable, comme une voix humaine, et une partie à faible niveau, presque stable, comme un bruit de fond on entend cette dernière « pomper », regagnant son volume normal progressivement pendant le délai de retour après chaque passage fort de la partie variable.

La plupart des compresseurs donnent la possibilité d'agir sur deux réglages :

  • Temps d'attaque (Attack) : c'est la constante de temps du déclenchement de l'action du compresseur sur un signal qui dépasse le seuil (threshold). Des temps d'attaque longs permettent d'intervenir sur le signal de manière subtile/inaudible mais laissent les attaques dépasser largement le seuil. À l’inverse, des temps d'attaque courts « s'entendent » plus mais assurent mieux que le signal n'atteint pas des niveaux excessifs.
  • Temps de retour (Release) : c'est la constante de temps du retour du compresseur à son état neutre.

Si les temps d'attaque et de relâchement sont très brefs, l'amplificateur distort le signal, au profit de la réduction de la dynamique. Tout le dispositif n'est qu'un amplificateur non-linéaire. Avec un ratio infini (noté ∞), l'amplificateur effectue un écrêtage.

Si les temps d'attaque et de relâchement sont longs, le gain de l'amplificateur ne change que lentement, et il n'y a aucune distortion.

Si le temps d'attaque est très bref et que le temps de relâchement est long, il n'y a de distorsion que dans les transitoires, à l'instant où le compresseur intervient ; mais le niveau de toute partie qui suit un passage fort se trouve réduit.

Si le temps d'attaque est moyen, le compresseur n'atténue pas les attaques des sons, mais réduit les sons forts qui se prolongent.

Courbes de seuil[modifier | modifier le code]

Courbes de seuil de compression: Hard Knee et Soft Knee

Le knee (littéralement le genou) est le point de jonction entre le comportement linéaire du compresseur (pas de compression, sortie = entrée), et le début de la compression, situé au niveau du seuil.

Ainsi, le "soft knee" permet une entrée en action plus discrète du compresseur et paramétrable, le "coude" est arrondi. Le "hard knee" fait référence au comportement classique d'un compresseur.

En exploitant la non-linéarité de l'amplification due à la saturation des tubes ou des transistors, on obtient aussi un son "compressé", très recherché par les guitaristes (cependant le son "lampe" n'est pas dû qu'à la compression, la distorsion[a]harmonique joue un rôle) par saturation[réf. nécessaire].

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Le traitement du signal se fait par électronique en analogique, ou par calcul en numérique.

Circuit analogique[modifier | modifier le code]

Un circuit donne la valeur moyenne du signal d'entrée. Ce signal d'enveloppe est comparé à une tension de seuil (threshold). La sortie d'un comparateur est à zéro en dessous du seuil, et est égale au signal d'enveloppe au dessus. Cette sortie charge un condensateur à travers une diode et une résistance variable que règle l'utilisateur. Cette résistance étiquetée attack (attaque) constitue avec le condensateur une constante de temps de charge qui détermine la rapidité de l'action du compresseur. Le condensateur se décharge à travers une autre résistance, également ajustée par l'utilisateur, étiquetée release (temps de relâchement). Ce circuit résistance-condensateur détermine une deuxième constante de temps, qui détermine la rapidité du retour à zéro après un dépassement du seuil.

L'élément qui traite le signal est un amplificateur contrôlé en tension (VCA), c'est-à-dire un amplificateur dont le gain, au lieu d'être réglé par un potentiomètre, dépend de la tension présente à une entrée spéciale dite entrée de contrôle. Dans le compresseur, l'entrée de contrôle est reliée aux bornes du condensateur par un amplificateur dont l'utilisateur peut régler le gain avec un potentiomètre étiqueté ratio, de telle sorte que quand la tension à ce point est nulle, le gain est nominal, et quand elle augmente, le gain diminue, atténuant le signal. L'utilisateur peut contrôler ce gain nominal par un potentiomètre étiqueté make-up gain (gain de compensation).

Applications[modifier | modifier le code]

Production musicale[modifier | modifier le code]

En création musicale, le compresseur est utilisé pour obtenir une sonorité plaisante (par exemple ajouter du sustain), ou générer des effets (comme le ducking).

Il est également utilisé en mixage afin de limiter un instrument dans une fenêtre de dynamique réduite, sans qu'il couvre la voix du chanteur ou qu'il disparaisse derrière elle[b].

Un ingénieur du son utilise le compresseur sur une source particulière ou sur un mélange afin d'en réduire la dynamique et d'enregistrer de façon optimale en évitant les niveaux dépassant la limite (distorsion et clipping).

Augmentation du volume[modifier | modifier le code]

En production audiovisuelle, radiophonique ou publicitaire, on l'utilise pour rehausser le niveau général, jusqu'à même en abuser dans le cadre de la guerre du volume.

En effet, une trop grande dynamique sonore n'est pas adaptée aux conditions d'écoute quotidienne du grand public. Dans une automobile par exemple, on n'a pas le même calme que dans une salle de concert. Il faut donc éviter les passages trop faibles (pianissimo), faute de quoi on ne les entend pas puisque couverts par le bruit ambiant.

Autres Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Couplage entre plusieurs compresseurs[modifier | modifier le code]

Le couplage (Stereo Linking) entre deux compresseurs consiste à appliquer les mêmes réglages et le même signal de référence, à la fois aux canaux gauche et droit.

Ceci pour empêcher que l'image stéréo ne dévie (ou flotte) latéralement. Ce qui se produit si chaque canal est compressé individuellement et dans le cas où la compression sur un canal est plus forte que celui de l'autre.

Le chaînage peut être réalisé de deux manières :

  • Soit en mesurant la somme des deux compresseurs mono en entrée.
  • Soit le compresseur calcule d'une façon indépendante pour chaque canal et puis applique la réduction de gain la plus élevée aux deux compresseurs[1]).

Plus généralement, le couplage multicanal consiste à chaîner les commandes de plusieurs compresseurs dans le cas d'un enregistrement ou d'un mixage multicanal[c].

Makeup gain (compensation de gain)[modifier | modifier le code]

Le Makeup gain (rattrapage de gain). Le compresseur réduit le niveau moyen du signal, puisqu'au dessus du seuil, il atténue. Le make-up gain permet compenser cette perte de niveau due à de fortes compressions.

Look-ahead (pré lecture)[modifier | modifier le code]

Le look-ahead (lit.: voir en avant) est conçu pour résoudre à temps le problème de la détection des transitoires d'attaque.

Le look-ahead permet d'obtenir de bons compromis entre les temps d'attaque lents qui laissent passer les transitoires d'attaque, et les taux d'attaque rapide capable de capturer les transitoires. Une grosse transitoire peut avoir pour conséquence un trop fort taux de compression audible et non désiré ainsi que des distorsions.

Le signal d'entrée est divisé en deux, et un côté est retardé de quelques millisecondes. La partie du signal non retardée est utilisée pour détecter, commander la compression du signal retardé, ce qui apparaît alors à la sortie. Cette technique permet un bon compromis. Le prix à payer de cette solution est que le signal est retardé de quelques millisecondes.

Cette technique permet, en numérique, un temps d'attaque égal à zéro (brick-wall). En analogique, sur le magnétophone, une tête de prélecture ou une ligne à retard conduisent au même résultat.

Side-chain (commande extérieure)[modifier | modifier le code]

Schéma basique d'une commande Side-chain d'un compresseur

La technique du Side-chain a pour principe d'utiliser un signal externe ((en)key), lequel va déclancher ((en)trigger) l'action du compresseur en fonction du niveau de ce signal extérieur.

Un exemple d'utilisation complexe du Side-chain

C'est aussi une technique pouvant être utilisée par les disc jockeys pour faire du « ducking »[d] ainsi, éventuellement, qu'au cinéma, la radio et la télévision lors de l'utilisation d'une voix off ou de tout autre signal dont le niveau doit rester dominant.

Dans la musique électronique, l'utilisation de la technique du Side-chain, (par exemple: sur une piste de basse ou sur une piste de synthétiseur permet au compresseur de ne s'activer qu'à chaque coup de grosse caisse, afin de ne pas masquer ce dernier. L'effet qui en résulte est une sensation d'aspiration (effet de pompage) de la piste compressée. On le retrouve beaucoup dans la musique dite French Touch.

Un circuit de détection avec Égaliseur, peut aussi être utilisé pour réduire le volume des signaux qui ont un fort contenu spectral dans certaines bandes de fréquences (voir De-esseur, de-poper, gate, etc.).

Autres types de compresseurs[modifier | modifier le code]

Limiteur[modifier | modifier le code]

Comparaison entre le signal limité et le clipping. Notez que clipping introduit une grande quantité de distorsion alors qu'une limitation en introduit seulement une petite quantité tout en gardant le signal dans les limites audibles.

Compresseur et limiteur ne sont pas différents dans le principe. Le limiteur est un compresseur ayant un ratio élevé et, généralement, un temps d'attaque court. La plupart des ingénieurs du son considèrent qu'à partir d'un taux de compression de 10:1 ou plus, le compresseur devient un limiteur[2].

Limiteur dit Brick wall limiteur Celui-ci a un très haut ratio de compression et un temps d'attaque très court. Il est utilisé, par exemple, en diffusion comme dispositif de protection des émetteurs.

Certains appareils électroniques grand public intègrent des limiteurs. Sony utilise un Automatic Volume Limiter System (AVLS), sur certains de ses produits grand public PlayStation Portable, On trouve aussi ce genre de circuits dans les décodeurs télévision chez le téléspectateur Set-top box.

Compression parallèle[modifier | modifier le code]

La compression parallèle est obtenue par le mélange du signal, à l'état brut ou légèrement compressé, avec une version très compressée du même signal, connue sous le nom de Parallel compression (en). Historiquement, cette technique a été utilisée par certains ingénieurs du son en concert et en enregistrement comme un effet artistique dénommé « compression New-yorkaise » ou « compression Motown ». Combiner le signal d'origine avec sa variante compressée puis réduire le gain du mélange par une deuxième compression a pour conséquence d'augmenter les détails des bas niveaux sans pour autant, réduire les crêtes (puisque le compresseur va renforcer significativement le gain uniquement aux niveaux faibles).

Compression en série[modifier | modifier le code]

La compression en série est une technique utilisée à l'enregistrement sonore et au mixage. La compression en série est réalisée en utilisant deux ou plusieurs différents compresseurs l'un derrière l'autre, simultanément ou aux diverses étapes de la chaîne sonore (enregistrement, mixage, mastering, diffusions).

Le premier compresseur généralement stabilise la dynamique sonore avec un rapport de compression faible du genre 1,8:1, tandis que le second sera plus agressif avec un ratio de 4:1 par exemple. Existent aussi des périphériques multifonctions (voir ci-après : Compression multibandes)

De-esser[modifier | modifier le code]

Le De-esseur (de-esser en Anglais) utilise souvent un compresseur n'agissant que sur certaines bandes de fréquences, en général aiguës. Il y a, grosso modo, trois modes de fonctionnement:

  • Large bande (à partir d'une certaine fréquence)
  • Multibandes (pour une bande de fréquences déterminée)
  • Dynamique

En général il est utilisé pour diminuer les trop grandes énergies dans les fréquences au-dessus de 7 kHz, Il peut agir aux alentours de la fréquence centrale de 4 kHz afin de diminuer les chuintantes.

D'autres types de compresseur utilisent ces mêmes techniques comme le de-popper[e] (compresse seulement les basses fréquences).

Compression multibandes[modifier | modifier le code]

Les fréquences de croisement d'un compresseur à 4 bandes de fréquences. Ici : 100 Hz, 1 kHz et 10 kHz.

Le compresseur multibande peut agir de façons différentes sur plusieurs bandes de fréquences prédéfinies.

Le compresseur multibande commence par diviser le signal à l'aide d'un nombre de filtres passe-bande (ou filtres cross-over). Les gammes de fréquences peuvent être réglables. Chaque signal est traité par son propre compresseur et a ses réglables spécifiques. Les signaux sont ensuite à nouveau mélangés.

Le compresseur multibandes, couplé avec un limiteur a, historiquement d'abord, été utilisé pour les émetteurs de radio et de télévision afin d'éviter de les surcharger. Il est aussi utilisé avec des consoles ou des stations audio-numériques pour le mixage final et particulièrement en multicanal (5.1).

Correcteur de dynamique[modifier | modifier le code]

Un Plug-in de correction de la dynamique à 4 bandes, avec gate, expenseur, compresseur, et limiteur.

Certains outils combinent différents effets jouant sur la dynamique sonore[3]. Cela permet, grâce à une unique interface, d'appliquer des compressions, de limiter, d'appliquer un noise gate, d'ajouter de la dynamique, et même de l'inverser (les sons forts deviennent faibles et les sons faibles deviennent fort. Ce qui a pour effet une sorte d'aspiration sonore).

True Peak Limiteur[modifier | modifier le code]

Un nouveau type d'algorithme permettant de limiter les crêtes vraies[4] en relation avec les nouvelles normes de diffusion numérique, conformément à la Recommandation UIT-R BS.1770 et la normes EBU R128.

Peak vs (versus) RMS[modifier | modifier le code]

La détection d'un pic de niveau du signal peut produire des changements très rapides dans la réduction du gain, une compression trop audible (une sensation d'écrasement) ou parfois même de la distorsion. Certains compresseurs appliquent une fonction de détection du signal dite moyenne valeur efficace (dite aussi valeur RMS, de l'anglais Root Mean Square, ou moyenne quadratique)[réf. nécessaire].

Cela permet une compression moins sensible et plus étroitement liée à notre perception de l'intensité sonore.

Influence de la compression dynamique sur la qualité[modifier | modifier le code]

La croyance que la compression réduit la qualité du son est assez répandue, et pourtant l'usage de la compression dans le processus de fabrication des enregistrements commerciaux ou de télévision est universel. En 2014, le Journal of the Audio Engineering Society a publié deux études visant à examiner cette opinion. Dans la première[5], les auteurs ont demandé à un groupe de personne leurs appréciations sur un ensemble d'enregistrements de musique populaire, en version originale et en version avec de plus forts niveaux de compression. Les résultats n'ont mis en évidence aucune dégradation selon les critères de préférence. Il semble que les auditeurs soient moins sensibles que ce que l'on croyait à la compression, même à des niveaux élevés, et que la compression n'ait guère d'autre effet que d'augmenter le niveau sonore moyen. Ce résultat pourrait venir du mixage de la musique populaire, qui inclut d'autres traitements du signal.

Un second article du même numéro[6], les auteurs s'intéressent à la macro-dynamique, c'est-à-dire à l'évolution du niveau sonore délibérée, pour laquelle les compresseurs n'agissent pas. Analysant les productions récentes, ils constatent que malgré l'impact de la compression sur la dynamique instantanée, donnant un niveau moyen plus élevé, on trouve toujours des fortissimo et des pianissimo dans la musique récente. La fatigue auditive, que l'on constate et que l'on attribue souvent aux caractéristiques de la musique enregistrée moderne, pourrait plutôt venir de la modification de la micro-dynamique, assez mal définie, et liée aux compresseurs.

L'influence de la compression est étudiée sur la base de cinq descripteurs du signal: le niveau quadratique moyen ou RMS, la sonie dite integrated loudness suivant la recommandation EBU3341/R128[7], le facteur de crête, le Loudness Range ou LRA suivant la recommandation EBU3342[8], et la densité d'échantillons à 0dB Full-Scale, c'est-à-dire le nombre d'échantillons possiblement clippés ou saturés. La puissance RMS rend compte du niveau physique, et la sonie EBU3341 du niveau perceptif. Le facteur de crête, c'est-à-dire la différence entre le niveau crête et le niveau quadratique moyen a parfois été utilisé comme base de mesure de la micro-dynamique du signal, comme par exemple dans le plug-in de mesure TT Dynamic Range Meter[9],[10]. Enfin, le EBU3342 loudness range, littéralement "gamme de sonie", est régulièrement utilisé en tant que mesure de la macro-dynamique ou de la dynamique au sens musical (nuances)[11],[12],[13],[14].

Limiteurs[modifier | modifier le code]

L'étude constate l'influence suivante des limiteurs testés sur le signal:

  • augmentation du niveau quadratique moyen (RMS),
  • augmentation de la sonie EBU3341,
  • diminution du facteur de crête,
  • diminution du LRA EBU3342, mais seulement pour de forts niveaux de limiting,
  • augmentation de la densité de samples à 0dB FS.

En d'autres termes, les limiteurs augmentent les niveaux physiques et perceptifs, la densité d'échantillons à 0dB FS, diminuent le facteur de crête, ainsi que la macro-dynamique pour autant que le traitement soit suffisamment marqué.

Compresseurs[modifier | modifier le code]

En ce qui concerne les compresseurs, l'étude considère deux réglages distincts, l'un impliquant un temps d'attaque faible (0.5ms) et l'autre un temps d'attaque élevé (50ms). La compensation de gain est désactivée et le fichier résultant est normalisé.

Moyennant l'utilisation d'un temps d'attaque rapide, l'étude constate l'influence suivante des compresseurs testés sur le signal:

  • légère augmentation du niveau quadratique moyen (RMS),
  • légère augmentation de la sonie EBU3341,
  • diminution du facteur de crête,
  • diminution du LRA EBU3342,
  • légère diminution de la densité d'échantillons à 0dB FS.

En d'autres termes, les compresseurs à temps d'attaque rapide augmentent les niveaux physiques et perceptifs, mais de manière modérée. Ils diminuent la densité de samples à 0dB FS, et diminuent de concert le facteur de crête et la macro-dynamique.

Moyennant l'utilisation d'un temps d'attaque lent, l'étude constate l'influence suivante des compresseurs testés sur le signal:

  • diminution du niveau quadratique moyen (RMS),
  • diminution de la sonie EBU3341,
  • pas d'influence sur le facteur de crête,
  • diminution du LRA EBU3342,
  • pas d'influence sur la densité de samples à 0dB FS.

En d'autres termes, les compresseurs à temps d'attaque lent augmentent les niveaux physiques et perceptifs, diminuent la macro-dynamique, mais n'ont pas d'influence sur le facteur de crête et la densité d'échantillons à 0dB FS.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Alain Fromentel, « Les périphériques », dans Denis Mercier (direction), Le livre des techniques du son, tome 2 - La technologie, Paris, Eyrolles,‎ , p. 189-226 section 2 « Modification de la dynamique » p. 193-199.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Distorsion: voir aussi Taux de distorsion harmonique
  2. Une des techniques utilisées peut être celle du side-chain.
  3. Sur certains compresseurs multicanaux il est possible de choisir plusieurs modes de couplage.
  4. Le Ducking est un effet permettant de réduire le niveau d'un signal en la présence un autre signal.
  5. Le Pop est un jargon des métiers du son. Il a pour signification le "bruit d'air" que fait la voix d'un chanteur quand il envoie trop d'air vers la capsule du micro

  1. voir (en)UAD Powered Plug-Ins, User Manual, Version 4.10, Fairchild 670 section A, p. 133
  2. www.tcelectronic.com/media/droney_massey_2001_compres.pdf
  3. Par exemple l'Omnipressor d'Eventide
  4. voir l'article de (en) Søren H. Nielsen et Thomas Lund, « 0dBFS+ levels in Digital Mastering », AES Preprint,‎
  5. (en) Jens Hjortkjær et Mads Walther-Hansen, « Perceptual Effects of Dynamic Range Compression in Popular Music Recordings », Journal of the AES, vol. 62, no 1-2,‎ , p. 37-41 (lire en ligne)
  6. (en) Emmanuel Deruty et Damien Tardieu, « About Dynamic Processing in Mainstream Music », Journal of the AES, vol. 62, no 1-2,‎ , p. 42-55 (lire en ligne)
  7. (en) European Broadcasting Union, « Loudness Metering: ‘EBU Mode’ metering to supplement loudness normalisation in accordance with EBU R 128 »
  8. (en) European Broadcasting Union, « Loudness Range: A measure to supplement loudness normalisation in accordance with EBU R 128 »
  9. (en) Earl Vickers, « The Loudness War: Background, Speculation and Recommendations », AES 2010: Paper Sessions: Loudness and Dynamics, Audio Engineering Society, San Francisco,‎ (consulté le 14 juillet 2011)
  10. (en) « Dynamic Range Meter »
  11. (en) Emmanuel Deruty, « 'Dynamic Range' & The Loudness War », Sound on Sound,‎ (lire en ligne)
  12. (en) « Measuring the Evolution of Contemporary Western Popular Music », Scientific Reports, vol. 2,‎ (DOI 10.1038/srep00521, lire en ligne)
  13. (en) Jens Hjortkjær, Mads Walther-Hansen, « Perceptual Effects of Dynamic Range Compression in Popular Music Recordings », Journal of the Audio Engineering Society,‎ (consulté le 6 juin 2014)
  14. (en) Esben Skovenborg, « Loudness Range (LRA) – Design and Evaluation », AES 132nd Convention,‎ (consulté le 25 octobre 2014)