Puissance RMS / crête :
Quelles différences? Comment mesurer?
La tension crête est donc supérieure au signal RMS. Dans un signal sinusoïdal, le niveau de crête est supérieur de 3dB au signal RMS. On parlera alors de facteur de crête de 3 dB, 3dB représentant la différence entre niveau crête et niveau RMS.
Voyons maintenant comment les amplis et HP sont mesurés:
La procédure de la mesure d’un ampli consiste à lui envoyer un signal sinusoïdal, ampli chargé sur une résistance en sortie. On utilise un oscilloscope pour visualiser la forme d’onde en sortie d’ampli afin de vérifier la qualité du signal amplifié. Une fois le niveau de sortie maxi déterminé (avant écrêtage ou suivant un seuil de distorsion), on mesure la tension RMS en sortie, et par un petit calcul, on va en déduire la puissance. Le calcul étant: tension au carré divisé par la valeur de la résistance. Par exemple, si on mesure 80 volts RMS sur une résistance de 4 ohms : (80x80)/4 = 1600 watts
Comme vu précédemment, le signal sinus présentant un facteur de crête de 3dB, on peut en déduire que la puissance crête d’un ampli est donc supérieure de deux fois sa puissance RMS (3 dB = rapport de puissance de deux)
La norme AES2 spécifie que le HP doit être testé pendant deux heures avec un signal en bruit rose filtré et dont le facteur crête est de 6dB. On notera que ce signal présente des similitudes de dynamique avec un signal musical, puisque le facteur crête de 6dB est proche des musiques actuelles qui sont très compressées. Mais du coup, ce signal de mesure est très éloigné de celui d’un ampli, ce qui représente donc une différence majeure.
Que pouvons nous en conclure?
Nous venons de mettre en évidence que le signal servant à la mesure d’un ampli possède un facteur crête de 3dB, et qu’un signal musical peut présenter un facteur crête d’au minimum 6dB (et beaucoup plus en musique Live). Si on considère deux signaux de même niveau RMS, le signal musical aura donc un niveau crête d’au moins 3 dB supérieur au signal sinusoïdal. C'est donc pour cette raison que si l’on veut qu’un ampli soit capable de reproduire correctement la totalité des crêtes du signal musical (FC 6dB), il faut un ampli avec une réserve de 3dB, soit le double de la puissance RMS que l’on souhaite délivrer au HP. Un ampli de 1000 watts RMS ne pourra donc reproduire que 500 watts RMS d’un signal musical de FC 6dB, et sans clipper, mais il sera capable de reproduire une puissance crête de 2000 watts, ce qui nous fait bien 6dB d’écart entre 500 et 2000.
Faites le vous même:
Mesure d’une tension/puissance RMS d’un ampli:
La mesure RMS d’un sinus est assez simple: on pourra utiliser n’importe quel multimètre (position AC) tant qu’on ne monte pas trop haut en fréquence (vérifiez la bande passante du multimètre dans le manuel). Par contre, pour mesurer un signal musical, ça se corse. On va devoir utiliser un multimètre dit True RMS (TRMS) capable de donner une lecture directe RMS d’un signal complexe. Ce multimètre devra aussi être capable d’un temps d’intégration long ou infini afin de pouvoir faire une moyenne suffisamment stable. Si le temps d’intégration est trop court, la lecture fluctuera de trop et deviendra impossible. Un multimètre avec mesure AC+DC sera préféré à une mesure AC simple, la mesure AC+DC permettant de prendre en compte les composantes continues dues à d’éventuels offset de tension toujours possible sur un signal musical ou un mauvais ampli dont les tensions positives et négatives ne sont pas symétriques. Certains multimètres sont capables de donner une lecture directe en Watts, juste en programmant l’impédance de charge sur le multimètre (Ex: Metrix MTX3283). A noter que si on veut mesurer la puissance maxi de l’ampli, il faut obligatoirement le faire sur charge (se procurer un réseau de résistances assez puissantes, au minimum égales à la puissance de l’ampli, et un oscilloscope pour contrôler que le signal n’écrête pas). Attention: les mauvais amplis peuvent ne pas aimer ce genre de torture et rendre l’âme, les amplis avec alim à découpage peuvent « se mettre à genoux » au bout d’un laps de temps assez court (puissance qui chute par manque de réserve de l’alimentation). Vous devez donc savoir exactement ce que vous faites. Si vous n’êtes pas sur, abandonnez. La formule pour convertir la tension en watts a été donnée plus haut: Puissance = tension au carré divisé par la valeur de la résistance
Il faudra la aussi un multimètre TRMS possédant une fonction crête (peak), généralement présente sur du matériel haut de gamme. On fera la distinction entre mesure crête et mesure crête à crête : la valeur de tension crête d’un sinus est égale la moitié de la valeur crête à crête. A noter que certains multimètres ne mesurent que les crêtes d’une seule alternance.
Il faut, soit un multimètre capable de mesurer le facteur de crête, soit deux mesures, une mesure RMS avec temps d’intégration long ou infini, et une autre sur la position crête (peak). Puis après avoir relevé la tension RMS et la tension crête, on pourra calculer le rapport en dB en utilisant la calculette gain ampli: il suffit de rentrer les deux valeurs trouvées, RMS et crête, ce qui nous donnera le facteur crête en dB.
A noter que pour des mesures justes dans la bande audio, il est indispensable que le multimètre ait une bande passante élevée (20Khz ou +), ce qui est normalement précisé dans les documentations et mode d’emploi. Le multimètre Metrix MTX3283 répond à tous les critères des diverses mesures évoquées, affichage direct de la puissance, mesure RMS, crête, facteur de crête, bande passante étendue, mesure directe en dBu, etc. La seule limite est un prix plutôt dissuasif (supérieur à 600 Euros).
Si il y a bien un domaine prêtant à confusion, c'est la différence entre watts RMS et watts crêtes. Cette différence est une notion importante si on veut comprendre quelle est la puissance que peut encaisser un haut parleur, et la puissance que peut délivrer un ampli avant saturation.
La puissance d’un ampli est donnée en watts RMS, et la puissance d’un HP est mesurée le plus souvent selon la norme AES2 avec la aussi, comme unité de mesure, les watts RMS. On pourrait donc croire que si ces deux éléments sont mesurés en watts RMS, il suffit de prendre un ampli de même puissance que le HP: Faux ! C'est la où est l’erreur et la confusion. Voyons donc pourquoi.
Les signaux audio sont dit « alternatifs ». Ils passent donc d’une alternance positive vers négative et inversement, ce, de nombreuses fois par secondes. La tension RMS de ce signal alternatif est une moyenne, alors que les crêtes représentent le niveau le plus élevé. Il s’agit donc bien de deux choses différentes.
Ci dessous, représentation d’un sinus et des diverses mesures possibles:
Avant toutes choses: il est rappelé qu’il est dangereux d’envoyer à un HP un sinus d’une puissance équivalente à sa puissance AES, de même qu’il est dangereux d’utiliser un ampli dont le témoin de clip s’allume trop souvent : Vous risquez la destruction du HP !
Mesures Peak et RMS d’un fichier audio:
Un programme très utile et gratuit: TT Dynamic Range Meter vous permettra d’analyser un fichier WAV ou MP3, en vous indiquant la dynamique (calculée sur les différences de niveau tout au long du titre), le niveau crête (Over affiché si 0dB FS atteint) et le niveau RMS. Attention toutefois en ce qui concerne la mesure RMS : TT Dynamic Range est calibré à la norme AES17 qui spécifie qu’un sinus enregistré à 0dB FS est affiché à 0dB RMS, alors qu’un sinus 0dB FS est en réalité à -3dB RMS. Il suffit donc de rajouter 3dB à la lecture RMS de TT Dynamic Range pour avoir une lecture conventionnelle du niveau RMS. Le facteur crête devra donc être calculé de cette manière : Facteur de crête en dB = niveau peak - niveau RMS + 3
On trouve des logiciels calibrés de manière traditionnelle, ou en norme AES17. Si cela n'est pas précisé, il suffit de mesurer un sinus dont le niveau est de 0dB crête: Si la lecture RMS donne -3dB, c'est l’affichage correct, si c'est 0dB RMS, c’est une calibration à la norme AES17. Sur certains logiciels comme Wavelab, on peut désactiver la norme AES17 dans les options.
Si on analyse des titres récents avec TT DR, on observera un facteur de crête faible, alors que les titres plus anciens auront un facteur de crête plus élevé, la faute aux limiteurs numériques toujours plus puissant, mais surtout aux maisons de disques qui poussent les studios de mastering à toujours plus de compression et limitation des titres. Tout cela n'est fait que dans un seul but : que les titres paraissent plus forts que ceux de la concurrence (qui eux font exactement la même chose !), ce qui est évidemment d’une grande stupidité, et conduit à détruire le signal musical. La compression à outrance est devenue un quasi standard, au point que certains ne savent pas ou plus ce que veut dire le mot dynamique.
Le programme TT DR est ici.
Mesure en sortie de processeur pour contrôle du limiteur:
On peut utiliser la aussi un multimètre sophistiqué, mais ce n’est malheureusement pas à la portée de toutes les bourses. Voyons donc quelles sont les solutions avec peu de moyens:
Un multimètre de base permettra de mesurer les fréquences et signaux pour lequel il est conçu. Par exemple, en alternatif, c’est le réseau EDF 220 volts 50Hz. 50Hz? C’est justement situé dans la bande de fréquence audible de l’oreille humaine. Et un sinus à 50Hz, c’est le signal alternatif pour lequel est fait le multimètre de base (non TRMS). Si le signal est plus complexe ou à des fréquences plus hautes, il faut utiliser un matériel plus sophistiqué, qu’il soit multimètre, analyseur de type Neutrik, Audio Precision, B&K, logiciels avec interfaces dédiées, etc, des solutions chères et complexes donc.
Alors quelle solution? Le manque de moyens obligeant à la créativité, il suffit de réfléchir un peu. De quoi a-t-on besoin? La possibilité de mesurer un signal musical, d’en faire une moyenne sur un temps d’intégration long, et si en plus, on pouvait avoir un afficheur en dBu, le tout dans un logiciel gratuit, ça serait le nirvana ! Mais ou trouver cela? Réfléchissons.... Voyons voir, des dB, un temps d'intégration long? mais c'est bien sur, un SPL mètre avec une fonction Leq. Mais quel logiciel gratuit possède un SPL mètre Leq? Vous l’avez devant les yeux, allez réfléchissez un peu... REW bien sur ! Vous pensez qu’il n’est pas possible de transformez un SPL mètre logiciel en instrument de mesure à affichage direct dBu, RMS et crête? Lisez ce qui suit, Hornplans vous donne l’astuce.
Le SPL meter de REW se présente sous cette forme:
Description du SPL Meter de REW:
Le bouton SPL correspond à une lecture standard du SPL, contrôlé par un temps d’intégration, court ou long, via les touches F (fast) et S (slow). La touche Leq permettra la mesure SPL sur un temps d’intégration infini. Les touches A, C, et Z correspondent aux différentes pondérations, Z étant l’absence de pondération, donc réponse linéaire du SPL meter. C’est sur cette position Z que se feront toutes les mesures. La touche HP permet de supprimer les fréquences inférieures à 8Hz (filtre passe haut, pratique pour les cartes sons qui pourraient laisser passer des composantes continues ou offset du signal).
Calibrer le logiciel en dBu:
Pour cela, on utilisera un multimètre standard ou TRMS. A l’aide du générateur de REW, on va envoyer un signal sinus à 50Hz, signal qui sera envoyé de la sortie de la carte son vers l’entrée. On peut mettre les niveaux d’entrée de la carte son au minimum ce qui constituera un point de repère pour des mesures à venir. A noter qu’en utilisant le pad d’atténuation de la carte son saffire 6, on peut mesurer jusqu’à +29.5dBu avant la saturation de l’entrée ligne. On ajuste le niveau de sortie pour un signal fort, mais sans saturer l’entrée. On mesure ensuite, avec un multimètre, position alternative, la tension sur l’entrée, entre point chaud et masse sur une liaison asymétrique, et entre point chaud et point froid sur liaison symétrique. Attention à ne pas confondre masse et point froid, la calibration serait faussée (6dB d’écart). Une fois la tension mesurée, on la converti en dBu via cette calculette. Puis, on va rentrer la tension dBu dans la calibration du SPL meter. On appuie sur la touche Calibrate et on choisit l’option: USE AN EXTERNAL SIGNAL.
Une nouvelle fenêtre apparaît et on rentre le chiffre obtenu en dBu (arrondi à un chiffre après la virgule). Attention à ne pas utiliser le point comme séparateur, mais la virgule.
On appuie sur Finished, encore une autre fenêtre, on appuie sur OK à nouveau, et voilà, la calibration est faite ! On va pouvoir passer aux mesures. Sans toucher au niveau sur la carte son, on allume le générateur, touche SPL enfoncée, on vérifie que la valeur SPL affichée est bien la valeur en dBu rentrée comme valeur de calibration. Attention, parfois, après la calibration, le SPL meter bascule tout seul sur la pondération C, donc bien le replacer sur la position Z.
Une fois qu’on est sur que la calibration est bonne, on va pouvoir passer aux mesures et contrôler la tension RMS qui sort du processeur avec un signal musical, ce signal musical étant parfaitement représentatif de ce que le HP reçoit comme puissance. On branche la sortie de la carte son au processeur, et la sortie processeur à l’entrée de la carte son (un seul canal, puisque REW ne mesure pas les deux à la fois). Pour une mesure RMS du signal, on devra utiliser la fonction Leq et donc appuyer sur la touche LEQ. La moyenne commence à partir du moment ou le SPL mètre démarre. Si jamais le SPL mètre a démarré avant le signal musical, on peut faire un reset de la moyenne en appuyant sur RESET ALL. On pourra aussi afficher la valeur crête la plus haute. Pour cela il suffit d’appuyer sur la touche MIN/MAX, la crête la plus haute s’affichant sur Lz Peak en bas à gauche de la fenêtre. Il faut noter que cette valeur est susceptible d’être un peu surévaluée, la faute à la conversion A/N (analogique/numérique) de la carte son qui peut, à cause des filtres nécessaires à la conversion, introduire un déphasage des plus hautes fréquences, générant ainsi des crêtes qui n’existaient pas sur le signal original. On appelle aussi cela, la distorsion de phase. Donc ne pas tirer de conclusions trop hâtives sur la valeur crête mesurée. La valeur RMS est quand à elle tout à fait juste, j’ai pu faire des comparaisons avec un matériel professionnel qui donne le même résultat.
Mais pourquoi vouloir contrôler la tension de sortie après limiteur? Tout simplement parce qu’en fonction du signal, certains limiteurs sont incapables de maintenir un niveau RMS constant. Sur un sinus, tous y arrivent, mais sur de la musique, c’est une autre histoire. Donc n’hésitez pas à tester divers signaux, des plus compressés aux plus percussifs. Un bon limiteur est capable de maintenir un niveau RMS qui tient dans un couloir n'excédant pas 0.5dB d’écart (il est nécessaire de programmer un temps de release long) entre les divers signaux de tests. Au delà de ces 0.5dB, on devra prendre des marges supplémentaires par rapport aux résultats des calculettes limiteurs si on veut protéger efficacement les HP. Pour ce test, on peut rentrer dans le processeur avec un fort niveau (sans saturation) ou utiliser un threshold bas afin de vérifier comment se comporte le limiteur avec une forte surcharge.
Une fois le niveau RMS maxi de sortie connu pour un treshold donné, il est très facile d’en déduire la puissance RMS envoyée par l’ampli aux HP: Il suffit d’ajouter le gain de l’ampli, et convertir le résultat en volts toujours via la calculette. Un simple calcul permettra de connaître la puissance RMS exacte reçue par le HP : tension au carré divisée par l’impédance totale sur la sortie ampli.
Peux être allez vous découvrir que votre HP reçoit moins de puissance que vous ne l’imaginiez. Mais on ne saurait que trop vous mettre en garde sur les marges nécessaires. Respectez le chiffre du limiteur donné par cette calculette, c’est vraiment la limite maxi avant de rentrer en zone de danger et totalement imprévisible. Peut être que vos HP accepteraient un peu plus de puissance, peut être pas.... Retenez bien qu’une erreur de deux petits dB seulement suffisent pour passer d’une zone de puissance sans aucun danger pour le HP, vers la destruction irrémédiable du HP !!! Tout mauvais calcul peut donc entraîner la casse.
Il est possible d’utiliser un ampli moins puissant que la calculette le prévoit, les HP n’en seront que mieux protégés tant que vous optez pour une puissance limiteur de moitié la puissance RMS de l’ampli. Dans tous les cas, on évitera d’allumer les clips de l’ampli. Clip = danger !
Les outils spécialisés et de précision sont le plus souvent hors de prix (20000 euros pour un banc Audio Precision). Bien évidemment ils ne se limitent pas à la mesure des niveaux RMS ou crêtes, ils permettent aussi la mesure de la bande passante, distorsion, rapport signal bruit, bruit de fonds, etc, aussi bien en bas niveau que sur des fortes tensions. Leur utilisation requière un minimum de compétences afin que l’appareil soit correctement paramètré en fonction de la mesure. Il faut aussi savoir interpréter les chiffres. Mais leur complexité mériterait un livre entier pour parler de leur usage correct.
Néanmoins je ne pouvais terminer en vous proposant une petite analyse du niveau RMS/crête et fréquences associées d’un titre musical : J’ai choisi un morceau de David Guetta, typique de cette surcompression et de ce (très mauvais) son en vogue. En rouge c’est le niveau crête, et en bleu le niveau RMS. On voit une similitude de réponse en fréquences entre niveau crête et niveau RMS, cependant avec des différences bien visibles. Les deux courbes sont lissées en 1/3 d’octave afin de les rendre plus lisibles et plus compréhensibles. C’est certainement un peu paradoxal de faire une moyenne sur des crêtes, ça ne représente donc plus exactement le niveau des crêtes réelles, mais la moyenne fréquentielle où les crêtes sont présentes dans le spectre sonore.
Pour l’anecdote, je vous propose une petite analyse et décorticage du mastering effectué sur ce titre : On notera que le niveau le plus fort se situe à 50Hz, mais en dessous de cette fréquence la pente de coupure est assez raide (54dB/oct). Donc rien ne sert d’avoir des caissons qui descendent à 30Hz pour reproduire ce type de musique, le caisson n’aurait tout simplement rien à reproduire aussi bas ! Un caisson coupant à 45/50Hz -3dB sera amplement suffisant. Même constatation dans l’aigu, on distingue nettement le roll off qui démarre à 8Khz avec une pente de 18 dB/oct !!!! Fort possible que ce roll off soit volontaire: moins de signal à limiter, il permet donc de gagner quelques dixièmes de dB de niveau en plus ! La aussi, inutile d’avoir des transducteurs aigu qui passent le 20Khz, il n’y a pas grand chose à reproduire à ces fréquences la. J’irai même plus loin: Si vous avez des tweeters et que vous ne passez que du David Guetta, vendez les, ils ne vous servent plus à rien !
Si on pousse un peu plus l’analyse, on constate que les fréquences graves sont surtout centrées entre 50 et 70 Hz, puis atténuation du haut grave, puis carrément un trou dans le bas médium à 200Hz (ce qui est devenu une tendance au fil des années). Le fait que le haut grave soit en retrait, et le trou à 200Hz, a un but psycho acoustique évident : mettre en valeur le bas du spectre sans pour autant être obligé de pousser le niveau de grave dans le mix. Cela permet la aussi de gagner sur le niveau final maxi (les fréquences graves prennent énormément de place dans le mix). Puis une petite bosse dans le médium, beaucoup compression / limitation, et on y est: un titre qui apparaît comme très fort, un grave parfaitement audible et qui ne parait pas en retrait, des médiums remplissant bien l’espace sonore, mais au final, un son tout pourri gâché par la compression/limitation !!!! Par contre, le mauvais son des titres de DG ne l’empêche pas d’être le Français qui vend le plus à l’étranger...
Vous avez dit « nivellement par le bas »? Pas d’inquiétude, c’est le progrès !
METRIX MTX 3283
Faites le vous même:
