La musique dématérialisée

Introduction

La musique dématérialisée, comme son nom l’indique, est dénuée de supports physiques. Quand la musique numérique n’est pas stockée sur un CD ou DVD on parle de formats dématérialisés. La musique est donc stockée sous forme numérique dans un fichier informatique. Il est désormais possible d’accéder à la même qualité audio que celle sortie du studio d’enregistrement (Studio Master). On peut y trouver deux principaux atouts : la grande capacité de stockage possible par rapport aux supports physiques et une qualité qui peut être, selon la configuration, supérieure à celle du CD. En réalité, avec les fichiers audio vous avez le choix de la qualité du format d’encodage selon le volume de stockage désiré.

De plus, avec l’informatisation et internet, les fichiers numériques sont facilement accessibles. Pour créer une bibliothèque numérique, plusieurs possibilités s’offrent à vous : soit ripper (copier) un CD ou un vinyle pour l’importer sur votre disque dur, soit télécharger des fichiers audio sur des plateformes de musique (Qobuz.com, linnrecords.com, hdtracks…) (Nous développerons plus sur ce point dans la fiche pratique sur la construction d’une bibliothèque musicale). L’écoute de la bibliothèque dématérialisée est possible, par exemple à partir d’un ordinateur, d’un mp3, d’un Smartphone, d’une tablette, d’un lecteur réseau, d’un serveur audio et d’une station d’accueil (Vous pouvez aller plus loin dans la fiche pratique sur la lecture de la musique dématérialisée).

Le numérique vs l’analogique

En 1978, les marques Sony et Phillips se réunissent pour définir un système standard afin de mettre au point la transformation du son analogique en signal numérique. C’est en 1982 qu’apparait le premier lecteur doté d’une optique (laser) sans contact mécanique et son support le CD. Ce dernier pouvait contenir jusqu‘à 74 minutes de musique.

L’analogique et le numérique sont deux procédés utilisés pour stocker et transporter des données. Ces derniers sont transportés par le courant électrique.

Un signal analogique est continu où chaque instant correspond à une valeur précise, c’est-à-dire que le signal peut prendre n’importe quelle amplitude. Sa représentation graphique est une courbe sinusoïdale :

Le signal analogique

Au contraire, le signal numérique est  codé de façon binaire (bases de l’informatique), c’est une suite de 0 et de 1. Sa représentation est sous forme d’histogramme :

Le signal numérique

Donc, la reproduction d’un signal analogique est rarement sans pertes puisqu’il est difficile de retrouver les mêmes valeurs précises d’amplitude s’il y a eu des perturbations électriques.

En revanche la copie d’un signal numérique est simple, il n’y a que deux niveaux d’amplitude à reproduire.

Principe de la numérisation

La numérisation est la transformation d’un signal analogique en un signal numérique. Elle comprend deux tâches simultanées :

- L’échantillonnage (sampling en anglais) : prélèvement périodique d’échantillons du signal analogique.

- La quantification (résolution) : c’est l’attribution d’une valeur numérique à chaque échantillon prélevé. C’est en fait l’échelle de mesure d’un échantillon.

La qualité d’un signal numérique dépend de deux éléments : la fréquence d’échantillonnage, nommée taux d’échantillonnage, et de la résolution.

Plus le taux d’échantillonnage sera élevé (les intervalles prélevés seront donc plus petit), plus le signal numérique sera fidèle à l’original.

La résolution est le nombre de bits sur lequel on code les valeurs, c’est-à-dire le nombre de valeurs différentes que peut prendre un échantillon. Plus la résolution est grande, meilleure est la qualité.

Prenons un exemple avec le format qualité CD 16 bits, 44.1 kHz : le son est analysé 44 100 fois par seconde sur une échelle de 16 bits.

Voici un schéma qui représente l’échantillonnage du signal analogique lors de la conversion analogique – numérique :

Conversion analogique numériqueSource : http://fcosinus.free.fr/articlenum/numerique.html

La numérisation offre donc la possibilité d’agir sur la qualité du signal. On note l’importance du ratio qualité et quantité. Vous pouvez soit améliorer la qualité du signal au dépens de l’espace de stockage, soit utiliser la compression pour gagner beaucoup d’espace disponible.

Ainsi, en numérisation, on peut choisir de conserver ou réduire la qualité du signal pour :

- Le coût de stockage

- Le coût de la numérisation

- Les temps de traitement

 

Le numérique n’est utile que pour le transport et le stockage de la musique. En effet, notre oreille humaine fonctionne de manière analogique, en continu, avec les vibrations des tympans. Nous ne décodons pas le numérique de ses suites binaires. Il est donc nécessaire de reconvertir le signal numérique en analogique pour que l’on puisse l’écouter. D’où l’entrée en jeu du convertisseur numérique analogique (DAC).

Le choix de la fréquence d’échantillonnage ne se fait pas au hasard, elle doit être suffisamment élevée afin de conserver la forme du signal. D’après le théorème de Shannon, pour pouvoir numériser correctement un signal, il faut échantillonner à une fréquence double (ou supérieure) à la fréquence du signal analogique que l’on échantillonne.

Bit Rate et dynamique théorique

Le Bit Rate en français « Débit Binaire », représente le nombre d’éléments binaires transmis par seconde. Il s’exprime en bits par seconde (B/s, Bit/s ou bps) ou ses multiples en respectant la notation du Système International (SI) :

- le kilobit par seconde (symbole kbit/s) = 1 000 bit/s ;

- le mégabit par seconde (symbole Mbit/s) = 1 000 kbit/s ;

- le gigabit par seconde (symbole Gbit/s) = 1 000 Mbit/s.

Le débit s’exprime souvent en octet, traduction anglaise de Byte ; Un octet équivaut à 8 Bits par seconde. C’est pourquoi vous pourrez trouver des fichiers avec comme unité de notation Bps (Byte per second) ou ko/s (kilo-octet par seconde).

Selon l’algorithme de compression et de ses options, on peut obtenir deux types de bit rates :

- Constant Bit Rate (CBR)

- Variable Bit Rate (VBR) ou Average Bit Rate (ABR)

 

Prenons l’exemple d’un fichier au format MP3 CBR 320 kbps : Cela veut dire qu’il y aura 320 000 octets traités sur une seconde de musique.

La dynamique théorique s’exprime en décibels (dB) et représente l’écart entre le son le plus faible et le son le plus fort que l’on peut restituer sur un système. Par exemple une dynamique de 60 dB indique qu’il y a 60 niveaux de décibels entre le plus faible son et le plus fort.

Ce schéma avec exemple vous montre différents niveaux sonores et leur équivalent dans notre environnement quotidien.

Les différents niveaux sonores

Exemple de supports et leurs caractéristiques :

Exemples de supports et leurs caractéristiquesSource : Prestige & Image n°68

(1): Le bit rate se calcule en utilisant la formule bits/seconde = (fréquence échantillonnage en Hz)*(canaux)*(nb de bits)

 

La compression

La compression est un procédé qui va comprimer les données d’un fichier afin de gagner de l’espace de stockage. Il existe deux types de compressions :

- Compression sans pertes : La taille du fichier est réduite et la totalité des données reste intacte

- Compression avec pertes : La taille du fichier est considérablement réduite, mais les données supprimées sont irrécupérables. On  obtient donc un fichier dégradé.

 

Attention à ne pas confondre la compression et la perte de donnée. En informatique, la compression n’entraîne pas de pertes de données, elle permet, avec l’aide d’algorithme mathématique, de réduire la taille du fichier. Le gain est notable d’environ 40 à 50%.

Enfin, la perte de données est simplement due à l’algorithme qui supprime des données supposées superflues (difficilement audible) afin de réduire la taille du fichier. Un fichier ayant perdu des données est forcément une vague approximation du signal original et non une représentation fidèle.

Nous pouvons classer les fichiers numériques en trois catégories :

- Les fichiers sans compression :

Ces fichiers intègrent le signal original, mais, sans compression, la taille du fichier est volumineux et son téléchargement très long. Ce type de fichier a peu d’intérêt puisqu’il contient la qualité égale du signal stocké avec les fichiers compressés sans pertes (Lossless) en prenant 2 ou 3 fois plus de place.

Voici deux principaux fichiers sans compression :

WAV :(Waveforme Audio format)

Le WAV est un format de fichier audio sans compression et sans perte développé par Microsoft. L’extension est .wav

AIFF :(Audio Interchange File Format)

L’AIFF est un format de fichier sans compression  donc sans pertes développé par Apple pour stocker les fichiers audio sur les ordinateurs de la marque.  C’est l’équivalent du WAV pour l’école windows. L’extension est .aif

- Les fichiers compressés sans pertes (Lossless) :

La compression Lossless permet la restitution intégrale du signal original. Le Lossless va réduire les données audio sans les détruire (Principe non destructif). Les fichiers sans pertes permettent ainsi une grande capacité de stockage pour une qualité égale au signal d’origine. La qualité d’un fichier Lossless est mesurée par le taux d’échantillonnage et la résolution.

Les principaux fichiers Lossless :

FLAC : (Free Lossless Audio Codec)

Le FLAC est un format de fichier avec une compression sans perte des données. Ce format ne retire aucune information du flux audio. L’intérêt majeur est qu’il nécessite moins de mémoire qu’un format sans compression. Son extension est .flac

ALAC : (Apple Lossless Audio Codec)

L’ALAC est un format fichier avec compression sans perte de données développé par Apple. A noter qu’Apple n’utilise jamais l’abréviation ALAC mais plutôt Apple Lossless. Son extension est .alac

Monkey’s Audio : (.APE)

L’APE est un format de fichier audio avec compression et sans perte. Ce format est donc une compression lossless du format WAV. En décompressant un fichier APE, il est possible de retrouver le fichier WAV original.

- Les fichiers compressés avec pertes (Lossy) :

Ce type de compression est destructeur, l’algorithme mathématique va supprimer une partie des données audio censées être peu perceptible par l’oreille humaine. Ces fichiers offrent une restitution plate avec peu de présence, le détail sonore a été « lissé ».

Liste des principaux fichiers compressés avec pertes :

MP3 : (MPEG Audio Layer 3)

Le MP3 est un format de fichier  avec compression. Il compresse des fichiers audio avec des pertes de données.

 

AAC : (Advanced Audio Coding)

L’AAC est un format de fichier avec compression et perte de données. Cependant il offre un meilleur ratio qualité/débit binaire que le format mp3. Ses extensions sont : .aac, .m4a, .m4p

WMA : (Windows Media Audio)

Le format WMA est le format de compression audio propriétaire mis au point par Microsoft. Son extension est .wma

 

Pour les fichiers audio compressés avec perte (Lossy) l’indicateur de leur qualité est le débit binaire (Bit Rate). Moins l’algorithme de compression supprime des données, plus le débit est élevé et meilleure sera la qualité sonore.

Par exemple, pour la qualité d’un format lossy mp3 :

mp3 à 320 Kbps > mp3 à 256 Kbps > mp3 à 192 Kbps > mp3 à 128 Kbps

Niveau de qualité d'une format Lossy MP3

 

Les principaux formats de fichiers numériques dédiés à la musique dématérialisée :

Principaux formats de fichiers numériques

Source : Prestige & Image n°68

Calcul de la taille d’un fichier audio

Calcul du débit :

débit (kbit/s) = fréquence d'échantillonnage (Hz) x quantification (bit) x nombre de canaux

Exemple avec un CD audio : débit = 44 100 Hz x 16 bits x 2 = 1411 kbit/s

Pour un format à débit constant :

Taille (Ko) = temps (s) x débit (Kbit/s) / 8

Exemple : pour un fichier MP3 encodé à 192 Kbit/s d'une durée de 5 minutes

Taille = 5 x 60 x 192 / 8 = 7 200 Ko

Pour un format à débit variable :

Taille moyenne(Ko) = temps (s) x débit moyen (Kbit/s) / 8

Taille maximale(Ko) = temps (s) x débit maximum (Kbit/s) / 8

Nos recommandations

Le choix du format va dépendre de vos attentes, et de votre matériel. Nous recommandons, pour les audiophiles disposant d’un système Hi-Fi haut de gamme et d’une grande capacité de mémoire, d’utiliser les formats sans compression. Ce sont les meilleurs formats de restitution de la musique dématérialisée. Vous utiliserez le format WAV (Waveforme Audio format) si vous êtes sur Windows et le format AIFF (Apple Interchange File Format) pour l’école MAC. Ces formats haute qualité (supérieur au CD) sont très volumineux, il est donc nécessaire d’avoir un espace de stockage fort important.

Avis maChaineHiFi :

  • Qualité : 3 étoiles
  • Volume de stockage : Très important

Si votre espace de stockage est moins important, nous vous conseillons fortement d’utiliser les types de formats Lossless, c’est-à-dire les fichiers compressés sans pertes. Bien que ces formats audio aient subit une compression, ils contiennent cependant le signal original en prenant moins de place ! Vous avez donc le choix entre quatre principaux fichiers garantissant une bonne restitution, tel que le FLAC (Free Lossless Audio Codec), l’ALAC (Apple Lossless Audio Codec), le Monkey’s Audio (APE) et le WMA Lossless (Windows Media Audio Lossless). Nous vous informons des détails techniques afin de choisir le « meilleur » selon vos critères.

Avis maChaineHiFi :

  • Qualité : 2 étoiles
  • Volume de stockage : Moye                                                                                          

Détails techniques des formats Lossless :

Détails techniques des formats Lossless

Enfin, si par manque de place vous êtes contraint d’utiliser les formats Lossy, c’est-à-dire les fichiers compressés avec pertes, tel que le mp3 (MPEG Audio Layer 3) par exemple, nous vous conseillons d’utiliser ces formats avec un débit binaire (Bit Rate) de 320 Kbps qui est la meilleur qualité possible. L’avantage de ces formats avec perte est de ne prendre que très peu de place sur un disque dur.

 

Si vous n’avez pas les moyens matériels de stocker la totalité de votre bibliothèque en format non compressé ou Lossless nous vous recommandons de les encoder en Lossy. Nous vous donnons également les caractéristiques techniques afin de choisir le « meilleur » format selon vos critères.

Avis maChaineHiFi :

  • Qualité : 1 étoile
  • Volume de stockage : très faible

Détails techniques format Lossy :

Détails techniques des formats Lossy