Comparaison entre les microphones Soundman OKM II Studio

Comparaison entre les microphones Soundman OKM II Studio
Classic et Neumann KU81i "dummy head":
Aspects techniques et perceptifs
SAE Institute in association with University of Middlesex
Bachelor Thesis
Module Number: RA 303
Berlin, Germany
Year: 2007 / 2009
March 27th 2009
Hypothèse
Les produits Soundman représentent une solution bon marché et mobile pour l'enregistrement
stéréophonique binaural. Malgré d'importantes distinctions techniques entre les microphones
Soundman OKM et Neumann KU81i "dummy head", les utilisateurs et ingénieurs du son amateurs
n'entendent pas nécessairement de différence entre ces deux modèles à l'écoute d'enregistrements
sonores, et les professionnels ne peuvent pas non plus les distinguer de façon systématique.
Objectif
Nous démontrons par des expériences perceptives (écoutes d'extraits sonores) que les auditeurs
amateurs ne distinguent pas les enregistrements effectués avec le Neumann KU 81i (ou Neumann
"dummy head") de ceux effectués avec le Soundman OKM II Studio Classic, et que les ingénieurs du
son professionnels ont également du mal à identifier le Neumann dummy head en comparaison
directe. Nous comparons également certaines spécifications techniques des deux microphones.
1. Introduction
Notre hypothèse, si elle est vérifiée, ferait des microphones Soundman OKM une option d'achat
simple et intéressante pour la réalisation d'enregistrement stéréophoniques de bonne qualité
(notamment pour des enregistrements d'ambiance ou de concerts).
Les microphones stéréophoniques binauraux sont généralement effectués avec une tête artificielle
(ou dummy head) et permettent de reconstituer une perception sonore tridimensionnelle réaliste lors
de l'écoute sur casque. Ce mode d'écoute, notamment pour la musique, est en effet de plus en plus
populaire. Pour les ingénieurs du son, les microphones OKM pourraient donc également constituer
une alternative flexible et efficace en l'absence ou manque de temps pour l'installation d'un dummy
head ou d'un système d'enregistrement équivalent.
Cette thèse essaiera donc de déterminer si les microphones Soundman OKM peuvent réellement
offrir une haute qualité d'enregistrement, en comparaison directe avec le microphone professionnel
Neumann KU81i (dummy head).
2. Signaux binauraux
Les enregistrements réalisés avec une tête artificielle ou avec des microphones Soundman OKM
sont des signaux binauraux, c'est-à-dire, des signaux stéréophoniques atteignant les tympans après
avoir subi diverses transformations liées, entre autres, à la forme et aux réflexions produites par nos
oreilles ou à d'autres propriétés spatiales. Pour une reproduction optimale, il convient donc d'écouter
ces signaux avec un casque: lors de l'écoute sur haut parleurs, ces transformations, déjà captées par
l'enregistrement binaural, se produisent à nouveau à travers le corps et l'environnement de l'auditeur.
On parle de Head-Related Transfrer Functions (HRTF – fonctions de transfert liées à la tête) pour
caractériser les transformations produite par la tête (et les oreilles) de l'auditeur : "Cette fonction de
transfert de l'oreille externe, la HRTF, [...] décrit la transmission entre un signal émis par une source
en champ libre avec un certain angle d'incidence et un point situé à l'entrée du canal auditif."
(Sengpielaudio: Head-Related Transfer Function HRTF)
En d'autres termes, la HRTF H(f) décrit la différence entre le spectre en fréquence d'un signal en
champ libre et celui du signal qui arrive et est traité à l'intérieur de l'oreille. On donne la formule
suivante :
H(f) = Y(f) / X(f)
où H(f) est la fonction de transfert, X(f) est le spectre du signal émis en champ libre et Y(f) est le
spectre du signal reçu à l'entrée du conduit auditif.
2.1 Stéréophonie binaurale
La fonction de transfert est aujourd'hui utilisée pour le développement de systèmes
d'enregistrement stéréophoniques binauraux, mais aussi pour la conception de casques ou encore le
design d'espaces aux propriétés acoustiques optimisées. Elle l'est également dans les applications de
réalité virtuelle ou dans les jeux vidéos, dont les concepteurs utilisent les HRTF pour obtenir des
effets d'immersion sonore.
Les sources sonores que nous percevons subissent un processus de filtrage en fonction de la
direction d'où elles proviennent, qui se produit naturellement à travers notre torse, notre tête et la
partie externe de nos oreilles. Le cerveau reconnaît ce filtrage et peut ainsi identifier la direction d'où
provient une source donnée.
Ce même filtrage peut être utilisé dans les programmes générant ou manipulant des signaux, de
sorte à simuler des positions et directions d'incidence données. Pour cela, il doit prendre en compte les
HRTF dans le calcul de ces signaux. Chaque corps et chaque oreille filtrant le son d'un façon
particulière, des valeurs moyennes doivent alors être utilisées. Les diagrammes suivants (Figure 1)
montrent le filtrage opéré par différentes oreilles gauches pour des angles d'incidence de -90°, 0° et
180°. Les valeurs moyennes utilisées pour les HRTF sont représentées par la ligne blanche.
Figure 1 : Filtrage d'oreilles gauches pour des angles d'incidence de -90°, 0° et 180°.
2.2 Caractéristiques des signaux sonores stéréophoniques binauraux
Les signaux sonores stéréophoniques binauraux permettent à l'auditeur d'apprécier une sensation
d'écoute spatiale unique à travers le casque ou les écouteurs. Ils permettent de localiser les sources
dans l'ensemble de l'environnement et dans toutes les directions: non seulement vers l'avant et au
niveau transversal mais également derrière, en dessus et en dessous.
Le panorama et l'environnement acoustique bougent cependant lorsque l'auditeur bouge la tête: il
ne pourra pas s'orienter physiquement vers un son provenant de l'arrière, puisque celui-ci sera toujours
localisé derrière lui. Par ailleurs, les signaux enregistrés étant préalablement filtrés, des colorations
sonores particulières apparaîtront lors de leur écoute sur haut-parleurs, et les sources ne pourront plus
être localisées correctement.
2.3 Domaines d'application
De nous jours les enregistrements stéréophoniques binauraux sont encore rares, probablement en
partie du fait du prix d'achat élevé du matériel (par exemple du Neumann dummy head). Une autre
raison est certainement les limites que présente cette technologie pour l'écoute des enregistrements sur
haut-parleurs. Cependant, l'enregistrement binaural reste une technologie pertinente étant donnée la
popularité croissante des appareils portatifs et de l'écoute de musique au casque. Par ailleurs, le
dummy head reste beaucoup plus efficace qu'un microphone standard pour préserver l'information
spatiale et directionnelle d'une source sonore. Différentes applications en font ainsi usage :
- Enregistrement de musique, particulièrement de concerts ou dans des environnements à
l'acoustique complexe (par exemple les églises).
- Mesures pour la recherche sur les nuisances sonores, dans les environnements de travail,
l'industrie ou le trafic routier.
- Mesures pour l'optimisation acoustique des salles de concert.
- Mesures acoustiques pour interphones ou autres systèmes de transmission.
- Mesures pour la conception de casques et écouteurs.
- Diffusions radiophoniques.
3. Comparaison technique des deux systèmes
Comme l'indiquent les spécifications techniques fournies par les fabricants, les différents modèles
de microphones permettent de transmettre des bandes de fréquence spécifiques. La bande de
fréquence indiquée pour le microphone Soundman est de 20 à 20000 Hz, ce qui correspond
globalement à bande des fréquences audibles par l'oreille humaine. Le Neumann dummy head couvre
une bande plus étroite, spécifiée par le fabricant de 40 à 16000 Hz.
Nous avons testé les réponses en fréquence des deux microphones et les avons comparées à celle
d'un microphone de mesure. Dans les basses fréquences, le KU81i suit précisément les réponses du
microphone de mesure, alors que le OKM montre des réponses plus importantes. Entre 200 et 1000
Hz, les courbes sont quasiment identiques. Par rapport au microphone de mesure, les deux systèmes
produisent un pic autour de 1500 Hz. La suite de la courbe suit plus ou moins celle du microphone de
mesure. Les valeurs du OKM sont plus importantes autour de 3 kHz, dans la bande la plus sensible
pour l'oreille humaine (une bande importante pour l'intelligibilité de la voix parlée), et chutent de
façon significative à 8 kHz. Le KU81i montre quant à lui des pics à 6 kHz et 12 kHz. Vers la fin de la
bande de fréquences, la courbe du KU81i chute plus rapidement que celles du microphone de mesure
et du OKM.
Les spécifications du Soundman indiquent également une différence maximale de niveau entre les
canaux gauche et droits, donnée comme inférieure à 1 dB. Avec la version "studio" du microphone,
cette déviation entre les deux canaux descend en dessous de 0,5 dB dans la bande de fréquence
pertinente pour la l'écoute spatiale. Cette information n'est pas donnée dans le cas du Neumann, mais
il est probable que le fabricant attache également une grande importance à la correspondance entre les
deux canaux et propose donc un produit de bonne qualité à cet égard.
Le rapport signal sur bruit (SNR – Signal-to-Noise Ratio) donne le rapport entre l'information
utile dans le signal transmis (S) et le bruit généré par le système de transmission (B). C'est un élément
fondamental pour la qualité sonore perçue, calculé (en dB) par la formule : 20 * log (S/B). Le
Neumann KU81i, avec 71 dB, a un rapport signal sur bruit de 10 dB supérieur à celui du Soundman
OKM. Il génère donc moins de bruit de fond et offre une plus grande dynamique (notamment vers les
signaux les plus faibles).
Figure 2 : Rapports signal/bruit du Neumann KU81i et du Soundman OKM
Avec la pression acoustique maximale (SPL – Sound Pressure Level), les fabricants indiquent le
niveau sonore maximum supporté par le microphone. Pour les microphones à condensateur (c'est le
cas des deux modèles), cette valeur est généralement autour de 120-140 dB. Les OKM (qui sont des
microphones à électret) atteignent 125 dB uniquement s'ils sont utilisés avec l'adaptateur A3 distribué
par le fabriquant. Cette donnée peut être confirmée par l'auteur: durant les réglages pour la réalisation
des enregistrements, les microphones Soundman sans adaptateur avaient nettement plus tendance à
saturer ou à produire des distorsions que le KU81i.
4. Tests et évaluations perceptives: Questionnaire
4.1 Critères et catégorisation de sujets
Une question préalable nous permet de catégoriser des sujets en fonction de leur expérience en
enregistrement binaural, leur formation et leur rapport à l'ingénierie du son. Le questionnaire ayant été
distribué au sein du SAE Institute et sur des forum spécialisés, nous pouvons supposer que la majorité
des sujet sont expérimentés, formés ou du moins sensibilisés dans le domaine.
- Quelles sont vos connaissances dans les techniques du son ?
34,72% des personnes interrogées disent n'avoir pas de connaissance spécifique dans le domaine.
Pour 18,06%, l'ingénierie du son est plutôt une activité exercée occasionnellement qu'une activité
professionnelle. La proportion d'ingénieurs du son formés et/ou professionnels est sensiblement égale:
34,72% des personnes interrogées ont étés formées mais n'ont pas encore commencé leur activité
professionnelle dans le domaine, et 12,5% sont des ingénieurs du son professionnels.
Comme nous le verrons, ces informations seront utiles pour tirer des conclusions par rapport à
l'hypothèse initiale de ce travail. Nous classons donc les connaissances dans le domaine de l'ingénierie
du son de la manière suivante : le groupe 1 rassemble les ingénieurs du son professionnels, le groupe
2 rassemble les personnes formées dans le domaine (mais non professionnelles), le groupe 3 regroupe
les ingénieurs du sons amateurs/occasionnels, et le groupe 4 les personnes n'ayant pas connaissance a
priori sur le sujet.
4.2 Analyse du questionnaire
Précision de la localisation (Enregistrements: métronome)
- 1) Dans quel enregistrement trouvez-vous la localisation la plus précise ?
55,56% des sujets donnent la précision de localisation meilleure avec les microphones OKM.
33,33% préfèrent le Neumann dummy head, et 9,72% donnent les deux approximativement
équivalents. Un seul sujet trouve la localisation mauvaise pour les deux microphones.
Les préférences pour les OKM viennent principalement du groupe des ingénieurs du son formés
et des personnes sans connaissances préalables. Ensemble ils constituent 72,5% des évaluations pour
OKM. Les sujets ayant choisi le Neumann, en revanche, viennent équitablement des différents degrés
de formation et de connaissance.
Il est à noter que la précision de localisation semble indépendante du casque utilisé: des casques
bon marché ont été utilisé pour ces expériences, aussi bien que des casques de meilleure qualité (100200 euros). Le résultat est cependant surprenant étant donné que les OKM, qui obtiennent une
meilleure évaluation que le KU81i, étaient portés par l'auteur au moment de l'enregistrement. Cet
enregistrement ne correspond donc pas, en principe, à une oreille et un filtrage (HRTF) moyen.
- 2) Dans quel enregistrement entendez-vous le plus de bruit de fond ?
90,28% indiquent ici l'enregistrement des OKM. Deux sujets indiquent le KU81i, deux sujets
entendent autant de bruit dans les deux enregistrements, et deux sujets n'entendent pas de bruit de
fond du tout. Un sujet ne sais pas ce qu'est le bruit de fond.
- 3) Dans quel extrait l'espace se perçoit-il le mieux ?
Un peu plus de la moitié des sujets choisissent les OKM. 30,56% choisissent le dummy head,
8,33% donnent les deux équivalents, et 2,78% ne perçoivent pas l'espace dans l'enregistrement. 6 des
9 sujets du groupe 1 (ingénieurs du son professionnels) ont choisi les OKM.
- 4) Quel enregistrement préférez-vous ?
59,72% des sujets votent pour le KU81i, même si la perception spatiale et la précision de
localisation étaient mieux évalués en faveur des OKM. Ce résultat est donc probablement dû au bruit
de fond plus important des OKM. Le reste des sujets interrogés préfère les OKM.
Impression d'espace (Enregistrements d'ambiance)
- 1) Dans quel enregistrement appréciez-vous le plus l'impression d'espace ?
Avec 59,72%, une nette majorité choisit les OKM, comparée aux 13,89% pour le KU81i. 23,61%
trouvent l'impression spatiale sensiblement équivalente avec les deux modèles, alors que deux sujets
seulement la trouvent mauvaise dans les deux cas. 2/3 des groupes 1 et 2 ont choisi les OKM. Un petit
peu moins dans le groupe 3, et moins de la moitié du groupe 4 ont donné la même réponse. La
deuxième moitié du groupe 4 trouve l'impression spatiale équivalente avec les deux modèles.
Ces résultats sont encore très bons pour les OKM, en particulier du fait que les sujets du groupe 1
(ingénieurs du son professionnels) ont en majorité choisi ce modèle.
- 2) Quel enregistrement préférez-vous ?
70,83% votent pour l'enregistrement des OKM : 77% dans le groupe 1, 80% dans le groupe 2,
69.2% dans le groupe 3 et 60% dans le groupe 4. Encore une fois donc, selon les appréciations
subjectives, un pourcentage plus élevé penche pour le moins cher des deux modèles.
- 3) Quel est l'enregistrement effectué avec le Neumann KU81i ?
La distribution des réponses est quasiment identique ici. Seul un sujet de chacun des groupes 1 et
2 est passé de sa préférence pour le OKM vers la réponse correcte.
Intelligibilité (Enregistrement a capella)
- 1) Quels microphones offrent la meilleure intelligibilité pour la voix parlée ?
Ici, 44,44% choissent les OKM, 34,72% choisissent le KU81i et le reste donne une
compréhensibilité équivalente pour les deux microphones.
La préférence pour les OKM est probablement due aux caractéristiques en fréquence mentionnées
précédemment (réponse importante dans les bandes de fréquence correspondantes) comparées à celles
du KU81i. Dans les groupes 1, 3 et 4 les réponses sont distribuées équitablement, ou bien les deux
microphones sont globalement jugés équivalents. Les ingénieurs du son professionnels ont
majoritairement choisi les OKM.
- 2) Quel enregistrement préférez vous ?
Comme attendu suite aux précédentes réponses, la distribution ici est presque équitable. Avec
deux abstentions, 50% choisissent les OKM et 47,22% le Neumann dummy head. Il n'y a pas de
tendance claire entre les différents groupes.
Musique (Enregistrement de musique "rock")
- 1) Quel exemple nécessite selon vous le moins de travail technique de post-production sonore ?
A 76,39%, les sujets ont ici choisi les OKM, contre 16,67% pour le dummy head. 6,94% estiment
les deux enregistrements approximativement équivalents. Il est intéressant de noter que 66,7% des
professionnels et 84% des sujets ayant une formation d'ingénieurs du son ont choisi les OKM. La
distribution est similaire dans les groupes de non experts.
- 2) Comment jugez-vous la perceptibilité des instruments dans l'espace ?
Avec l'enregistrement sur Neumann dummy head, 36,11% des sujets perçoivent une mixture
sonore sans réelle séparation spatiale des instruments. Environ la moitié dans les groupes 1 et 3, et un
tiers dans les groupes 2 et 4 ont cette même sensation. 43,06% des sujets arrivent à différencier les
instruments, et 20,83% (dont 1/3 du groupe 2) trouvent qu'ils sont bien distinguables et séparés.
Avec l'enregistrement sur OKM, en revanche, seulement 6,94% (dont un sujet du groupe 1)
perçoivent une mauvaise séparation spatiale des sources. 65,28% des sujets trouvent que les
instruments sont facilement perçus comme étant spatialement séparés les uns des autres. Cette opinion
est partagée par 66,7% du groupe 1, 76% du groupe 2, 69,2% du groupe 3 et 52% du groupe 4.
27.78% des sujets trouvent que certains instruments sont plus facilement localisables que d'autres.
Ces résultats montrent à nouveau que les microphones Soundman OKM se distinguent au dessus
du Neumann dummy head.
- 3) Quel instrument est le plus facilement localisable ?
La réponse la plus fréquemment donnée est la guitare. Le contenu spectral de cet instrument se
situe en effet dans une bande de fréquence idéale pour la localisation par notre système auditif. La
familiarité et la connaissance préalable de l'instrument facilitent également la détection.
- 4) Quel enregistrement préférez-vous ?
Encore une fois, une nette majorité (80,56%) préfère l'enregistrement des OKM, contre seulement
18,06% pour l'enregistrement du dummy head. Un sujet ne se prononce pas. Dans les groupes 1, 2 et
3, le vote pour le l'enregistrement OKM dépasse 84%, pour environ 2/3 dans le groupe 4.
Identification des microphones
En moyenne, sur les 4 enregistrements proposés, les sujets ont identifié les microphones
correctement entre 2 et 3 fois. 34,72% les ont identifiés 2 fois, et 38,89% 3 fois. 11,11% ont reconnu
le bon microphone une seule fois et 15,28% l'ont reconnu dans les 4 cas. Dans le groupe 1 les
identifications correctes sont distribuées de façon équitable entre 2 et 4. Dans le groupe 2, elles sont
généralement au nombre de 3.
5. Conclusion
Le Neumann KU81i est un système plus avancé techniquement que ne l'est le Soundman OKM,
ne serait-ce qu'en termes de fabrication : les matériaux et capsules utilisées sont a priori de meilleure
qualité (prix de commercialisation : environ 6000 euros – Note de Soundman). Le KU81i est donc
vraisemblablement un meilleur microphone, comme le montrent également les données des fiches
techniques.
Les deux systèmes montrent cependant chacun des forces et des faiblesses spécifiques,
notamment au niveau de leurs caractéristiques en fréquence. Par ailleurs, ce travail a amené des
résultats surprenants : il était peu prévisible en effet que les microphones OKM fassent le poids face
au KU81i dans la comparaison des enregistrements.
Nous avons initialement posé l'hypothèse selon laquelle les ingénieurs du son amateurs ne
seraient pas capables de percevoir les différences, et que les professionnels du domaine ne
distingueraient pas systématiquement les deux microphones. Cette hypothèse est donc globalement
vérifiée, et la majorité des sujets a par ailleurs démontré un jugement subjectif assez clair, malgré les
différences techniques importantes existant entre les deux modèles.
Remerciements
Merci à Stefan Salb et à toutes les personnes impliquées dans l'obtention des résultats de cette
recherche. Ce travail est présenté ici par extraits uniquement. Merci de contacter Soundman pour
accéder à son intégralité, à des détails techniques ou scientifiques particuliers, ou à des données
statistiques complémentaires.
Soundman R. Ruff