Réverbération (acoustique)

Différents types de réverbération appliqués à un son.

La réverbération est la persistance du son dans un lieu après l'interruption de la source sonore. La réverbération est le mélange d'une quantité de réflexions directes et indirectes donnant un son confus qui décroît progressivement.

La réverbération du lieu d'écoute participe à l'impression musicale. Les cathédrales sont réputées pour leur longue réverbération, qui influe sur le répertoire qui s'y joue. Les architectes et les exploitants des grandes salles de musique symphonique se sont sans cesse préoccupés de l'acoustique des lieux, et ont cherché à la comprendre et à la maîtriser. La réverbération a un effet généralement positif sur l'impression musicale ; pour permettre aux artistes modernes de faire entendre, depuis la plus petite des cabines d'enregistrement, le son d'une grande salle, les fabricants de matériel électronique pour la musique ont conçu et commercialisé des processeurs et des pédales d'effet qui reproduisent l'effet audio de réverbération. Dans un mixage, la réverbération permet de spatialiser le son en donnant l'impression qu'il vient de plus loin.

Le temps de réverbération optimal dépend de l'usage auquel le local est destiné. Trop de réverbération diminue l'intelligibilité de la parole ; trop peu nuit à l'effet d'harmonie de la musique.

Réverbération naturelle

La réverbération est un phénomène complexe, que l'on essaye d'évaluer par des indices numériques et parfois par des graphiques. Ils permettent de classer les locaux d'écoute et de vérifier leur adéquation à différents usages — cinéma, théâtre, conférences, concerts — spectacle musical, qui requièrent des caractéristiques différentes en ce qui concerne la réverbération.

Conséquences de la réverbération

La réverbération crée l'impression auditive d'espace et augmente l'impression de volume sonore.

La quantité optimale de réverbération diffère selon l'usage du local. Elle est minimale pour les locaux qui diffusent des programmes enregistrés, comme une salle de cinéma. Dans une salle de conférences, elle devrait être un peu plus importante. Avec trop peu de réverbération, le son manque d'ampleur et de force ; avec trop, l'intelligibilité de la parole diminue. La réverbération favorise en général l'écoute musicale. Certains répertoires, comme la musique sacrée, sont conçus pour des espaces fortement réverbérants.

« La réverbération joue un rôle fondamental dans le jugement des salles de concert ». La réverbération doit non seulement être optimale quantitativement, mais doit aussi avoir une réponse spectrale équilibrée, en évitant de privilégier certaines fréquences du son.

Temps de réverbération RT60

Mesure du temps de réverbération

Diagramme simplifié du niveau sonore dans un espace réverbérant excité par une impulsion.

La première évaluation de la réverbération est l'indication du temps pendant lequel on perçoit du son après la disparition du son original, que l'on appelle excitation de la salle. Wallace Clement Sabine a effectué les premiers essais avec un tuyau d'orgue pour l'excitation et un chronomètre pour le temps de réverbération. On a normalisé cette mesure subjective. Le temps de réverbération RT60 se définit comme le temps nécessaire pour que le son diminue de 60 dB par rapport au niveau sonore du son initial.

Après les premières réflexions, la décroissance du son diffus est uniforme dans toute la salle ; mais son effet acoustique dépend de l'emplacement de la source et de celui de la mesure. À proximité de la source, le son direct est plus fort ; par conséquent, le niveau relatif auquel on considère que le son réverbéré est négligeable est plus élevé, et il est atteint plus rapidement. Loin de la source, le son direct étant déjà atténué par la distance, la mesure inclut plus de réflexions directes et indirectes et la réverbération est perçue comme plus importante. D'autre part, les architectes des salles de concert tentent, souvent avec succès, de privilégier l'emplacement de l'orchestre comme source ; il n'est pas étonnant que les valeurs de réverbération soient différentes quand l'excitation vient de cet endroit. L'acoustique est également différente à proximité des parois.

Prédiction du temps de réverbération

Wallace Clement Sabine a établi une formule afin de prédire le temps de réverbération. Selon cette équation, le temps de réverbération acoustique est proportionnel au volume v divisé par le produit de l'aire totale de ses parois (murs, planchers et plafonds) par un coefficient d'absorption α compris entre 0 (paroi totalement réfléchissante) et 1 (paroi totalement absorbante). « intuitivement, ce résultat exprime le fait que plus la salle est grande, plus elle peut contenir d'énergie acoustique ».

Toutes les modifications, en particulier la présence d'un public nombreux, affectent le coefficient d'absorption, et par conséquent, le temps de réverbération.

La formule de Sabine, établie pour des salles de concert, concerne les salles assez grandes, approximativement parallèlépipédiques et dont les parois ne sont pas trop absorbantes. Elle est peu précise pour les salles très absorbantes. En 1930, Carl F. Eyring (en) proposa une autre formule, convenant pour les espaces plus amortis, où le logarithme naturel de un moins le coefficient d'absorption remplace au dénominateur le coefficient d'absorption. La formule d'Eyring prédit un temps de réverbération toujours inférieur à celle de Sabine.

Approfondissement de l'étude de la réverbération

Différentes étapes de la réverbération d'un son dans une pièce.

L'évaluation par le temps de réverbération suppose que la décroissance du son soit uniforme, suivant une loi exponentielle, d'un certain nombre de dB par seconde. Ce n'est pas le cas nécessairement dans les salles, particulièrement quand elles sont le produit d'un effort d'architecture musicale. Le son peut ainsi décroitre d'abord rapidement, tandis que la queue de la réverbération se prolonge.

Lorsqu'on effectue plusieurs enregistrements de la réponse d'une salle, afin de déterminer le temps de réverbération, on peut obtenir des graphes très différents. L'intensité sonore dépend en effet beaucoup de la phase du signal d'excitation au moment où celui-ci disparaît. En 1965, (en) Manfred R. Schroeder proposa une méthode basée sur l'intégration de la puissance enregistrée, en partant de la fin. Il montrait que cette intégrale a la même valeur que la moyenne d'une infinité de mesures de la réponse de la salle. Elle permet de mettre en évidence les variations du taux de décroissance du son, qui sont un indice du manque de surfaces diffusantes.

Pour mieux évaluer la réverbération, on peut mesurer la vitesse de décroissance du son par bande de fréquence, et calculer ainsi plusieurs RT60.

On peut représenter l'évolution dans le temps, bande de fréquence par bande de fréquence, dans un diagramme en cascade.

Des systèmes qui comparent le signal émis par la source à celui capté par un microphone permettent de caractériser la salle en direct et en présence du public, qui contribue par sa présence à la réponse acoustique de la salle.

Premières réflexions

Schéma simplifié des premières réflexions dans une salle.

Lorsqu'on examine la réponse d'une salle à une impulsion, obtenue soit par un enregistrement direct, soit par l'analyse, on se rend compte que la réverbération se décompose en plusieurs phases. Après l'arrivée du son direct, des ondes qui ont rebondi une fois sur les parois arrivent après avoir parcouru un peu plus de chemin. En 1949, Helmut Haas a montré que ces réflexions, quand elles arrivent de 1 à 30 ms après le son direct, ne perturbent pas la perception de la direction d'origine du son, mais augmentent le volume sonore perçu et la dimension spatiale perçue de la source.

Tandis que la fin de la réverbération est assez semblable dans tous les espaces, ne variant que par l'intensité, les premières réflexions sont très caractéristiques.

Densité

Après les premières réflexions, des ondes d'intensité variable arrivent après avoir rebondi sur plusieurs surfaces. Dans la partie moyenne de la réverbération, ces ondes arrivent plus ou moins fréquemment. La notion de densité exprime la fréquence (au sens statistique) de ces arrivées dans le temps.

Maîtrise de la réverbération d'une pièce

Pour modifier la réverbération dans une pièce, soit pour l'augmenter ou la diminuer, soit pour en éliminer certains effets désagréables, comme des résonances, il faut traiter les surfaces des murs, sols et plafonds.

• Les surfaces dures (ex. : en verre ou en béton) et lisses sont réfléchissantes, c'est-à-dire que le son rebondit comme la lumière sur un miroir, avec l'angle de départ égal à l'angle d'arrivée.

• Les surfaces en volumes complexes et les surfaces convexes sont diffusantes, c'est-à-dire qu'elles renvoient le son dans toutes les directions.

• Les surfaces en matériau mou sont absorbantes, elles ne renvoient pas de son.

Coefficient d’absorption (α) à 1000 Hz

Matériau	α
Surface liquide	0,02
Brique	0,04
Contreplaqué	0,09
Vitre	0,12
Ciment	0,29
Sol avec tapis	0,37
Gravier	0,70
Tenture lourde	0,72
Absorbant acoustique	0,99

Chambre anéchoïque du Laboratoire national de métrologie et d'essais (France).

On trouve des matériaux de construction conçus pour chacun de ces trois effets. Dans les studios d'enregistrement, on peut disposer des cloisons mobiles pour obtenir un son suffisamment réverbéré, même sans employer d'effet électroniques. Les chambres anéchoïques sont construites de telle manière à absorber toute réflexion, éliminant totalement la réverbération.

Poussant cette démarche jusqu'à ses dernières conséquences, l'Institut de recherche et coordination acoustique/musique (IRCAM), à Paris, possède un espace de projection dont l'acoustique est entièrement réglable par des panneaux mobiles à trois faces couvrant toutes les parois.

Réverbération artificielle (effet électronique dit « réverbe »)

La réverbération artificielle (dite couramment « réverbe » par apocope) est un dispositif électronique visant à produire le même genre d'effet auditif que la réverbération : augmenter le niveau sonore, enrichir et harmoniser le son. On peut chercher à donner l'impression d'une écoute dans un lieu plus ou moins vaste.

Principe

Premiers procédés

Avant l’apparition des boîtes d'effet de réverbération, les artistes/techniciens ont voulu ajouter de la réverbération à une performance de studio qu'ils considéraient comme trop sèche. Ils l'ont fait en utilisant uniquement du matériel qui se trouve ordinairement dans un studio d'enregistrement.

On envoie le signal à enrichir sur un haut-parleur installé dans un local très réverbérant (comme un corridor, une cage d'escalier ou une pièce spécialement aménagée pour cela, dite chambre réverbérante), dont on récupère le son avec un microphone dont on mélange le signal avec l'original dans la proportion désirée.

Réverbe à ressorts

Mécanisme à ressorts permettant de créer une réverbération artificielle.

Comme les corridors et les cages d'escaliers sont encombrants, on a reproduit leur fonctionnement avec un procédé très simple, basé sur la propagation des ondes dans un ressort. Dans une boîte rigide, on monte d'un côté une bobine mobile plongée dans un fort champ magnétique du même genre qu'un moteur de haut parleur, et de l'autre un dispositif du même genre ressemblant à celui d'un microphone dynamique. Entre les deux, on dispose un ou plusieurs ressorts modérément tendus.

La vitesse de propagation du son dans le ressort est bien plus lente que dans l'air. Le signal arrive donc retardé de quelques centièmes de seconde à l'autre bout du ressort, où il provoque la vibration du capteur. Mais comme le ressort constitue une ligne de transmission, et que l'impédance du bout n'est pas adaptée, une forte fraction du signal se réfléchit vers l'entrée, où elle rebondira à nouveau. Le ressort constitue ainsi une imitation des réflexions multiples qui constituent la réverbération. Le champ réverbéré est d'autant plus confus, comme celui d'une véritable réverbération acoustique, qu'il y a plusieurs ressorts de caractéristiques différentes, et qu'ils réagissent entre eux par leurs pièces d'assemblage.

Le signal enrichi de réverbérations peut ensuite être mélangé au signal d'origine dans une proportion variable et avec les corrections de timbre souhaitées.

Laurens Hammond (créateur de l'orgue Hammond) est le premier à avoir pensé à utiliser ce dispositif pour un effet musical. Quelques années auparavant, les chercheurs des Laboratoires Bell avaient mis au point la ligne à retard à ressort pour simuler une communication à longue distance. Déréglée, elle créait un effet de réverbération. À partir de cette idée, la société Hammond développa des systèmes spécialement construits.

Les reverbs à ressorts ont été intégrées dans les amplificateurs pour guitare électrique, en particulier les amplis Fender. Le son est devenu typique de certains styles de musique, comme le surf rock dans les années 1960.

Réverbe à plaque

Ces boîtiers fonctionnent sur le même principe que ceux à ressorts, mais le son se transmet à travers une plaque métallique, ce qui donne des réflexions plus complexes, et par suite une meilleure imitation de l'acoustique des salles. On peut aussi influencer plus le genre de réverbération, en approchant de la plaque vibrante des absorbants qui perturbent sa vibration. Ces systèmes sont lourds (plusieurs dizaines ou centaines de kilogrammes), encombrants, et chers.

Réverbe à lignes à retard

L'évolution de l'électronique a transistors a permis de créer des dispositifs appelés lignes à retard qui transmettent un signal analogique avec un délai qui peut atteindre plusieurs millisecondes.

Ces dispositifs basés sur un dispositif à transfert de charges (CCD) fonctionnent par échantillonnage analogique. Un oscillateur produit un signal d'horloge, qui doit obéir aux mêmes règles que pour l'échantillonnage numérique. À chaque impulsion, le niveau du signal d'entrée est transféré sur un condensateur semiconducteur. La charge du condensateur est bloquée, puisqu'il n'y a pas de circuit de sortie, jusqu'à ce qu'une impulsion déclenche le transfert vers un autre condensateur. Si la fréquence d'échantillonnage est f_e, une ligne de n condensateurs aboutit à un délai de n / f_e. Par exemple, avec une fréquence d'échantillonnage de 48 kHz, une ligne de 512 éléments donne un retard de 512/48 000 seconde, soit un peu plus de 10 ms. Pour augmenter ce délai sans avoir besoin de trop d'éléments, on doit réduire la fréquence d'échantillonnage ; mais il faut alors réduire la bande passante, dans les mêmes conditions que pour l'échantillonnage d'un signal digital.

Contrairement aux systèmes à plaques et à ressorts, la sortie ne réagit pas sur l'entrée ; pour créer de la réverbération, il faut réinjecter une fraction du signal vers l'entrée. Il faut ajouter le signal ou l'extraire de la ligne en plusieurs endroits, et combiner ainsi plusieurs retards différents, pour arriver à suffisamment de complexité pour reconstituer une impression de réverbération.

La partie la plus aiguë du signal est en général plus faible et moins réverbérée dans les locaux d'écoute, le produit du repliement de spectre peut se confondre avec la fin de la réverbération ; finalement, la réverbération à ligne à retard atteint un effet acceptable avec une fréquence d'échantillonnage d'une dizaine de kilohertz et un filtrage du signal d'entrée à quelques kilohertz.

Réverbe stéréo

Dans l'expérience auditive, l'impression d'espace vient en partie du fait que nous recevons les sons réfléchis différemment à gauche et à droite. L'enregistrement stéréophonique a entraîné la fabrication d'effets de réverbération stéréophoniques, qui utilisent des paramètres légèrement différents à gauche et à droite, que l'entrée soit monophonique ou stéréophonique.

Réverbe numérique

Dans un processeur d'effets numériques, pour créer un délai il suffit d'enregistrer la suite de nombres qui représentent le signal dans une mémoire organisée comme une file d'attente (premier arrivé, premier sorti). On peut ajouter une fraction des signaux retardés dans l'entrée, et créer des modèles de réverbération beaucoup plus divers qu'avec les procédés précédents, pourvu qu'on dispose de suffisamment de capacité de traitement.

Une réverbération à convolution utilise un processeur numérique puissant pour mettre en œuvre des variantes du procédé de convolution du signal par la représentation de la réponse impulsionnelle d'une salle.

Lorsque l'effet numérique se présente sous la forme d'une pédale d'effet ou d'un rack, le signal analogique est d'abord converti en suite de nombres, puis, après le traitement, ce signal numérique est à nouveau converti en signal analogique. Comme tous les traitements de signal se basent sur le mélange entre des parties de signal diversement retardées, les fabricants proposent souvent plusieurs sortes d'effets dans le même appareil.

Les réverbérations numériques se présentent souvent sous forme d'inserts numériques dans une chaîne de traitement, console, station audionumérique ou ordinateur.

Réverbération logicielle

Un plugin audio de réverbération stéréo.

La réverbération est également produite par des plugins audio, utilisables directement dans une station audionumérique.

Principaux réglages

Réglages d'une réverb

Variation du decay time

noicon Son brut, puis decay de 500ms, 1000ms, 2000ms puis 3000ms

Variation du pre-delay

noicon Réverbération (decay de 1000ms) avec un predelay de 50ms, 70ms, 90ms, 110ms puis 130ms

Les effets de réverbération électronique offrent de nombreuses possibilités de réglage :

• pre-delay : temps entre le son produit et le début de sa réverbération, un temps très élevé permet de différencier clairement le signal de sa réverbération ;
• diffusion : réglée à un faible niveau, on distingue bien les différents échos qui composent le son réverbéré. Au réglage maximum, tous les échos se fondent dans une réverbération très dense ;
• decay : exprimé en secondes, définit combien de temps la réverbération dure ;
• densité : comme son nom l'indique, joue sur la densité de la réverbération ;
• early reflections : règle le niveau et le nombre des premières ondes sonores qui, après avoir frappé murs, sol ou plafond, arrivent à l'auditeur ;
• tonalité : atténue les aigus/renforce les graves lorsque le potentiomètre est tourné à gauche, et vice-versa ;
• niveau (aussi appelé balance wet/dry ou mix) : indique la proportion de réverbération à inclure dans le signal de base. À ne pas confondre avec le niveau (audio) ; dry correspond au signal sans réverbération, wet avec le maximum d'effet (réverbération).

Les réglages plus rares sont :

• high ratio : détermine si la réverbération agit beaucoup dans les hautes fréquences ;
• low ratio : détermine si la réverbération agit beaucoup dans les basses fréquences ;
• LPF : fréquence à partir de laquelle les hautes fréquences sont coupées dans la réverbération (filtre coupe-haut) ;
• HPF : fréquence à partir laquelle les basses fréquences sont coupées dans la réverbération (filtre coupe-bas).

Annexes

Bibliographie

• Éric Vivié et Michel Cassan, « Acoustique Architecturale », dans Denis Mercier (direction), Le Livre des Techniques du Son, tome 1- Notions fondamentales, Paris, Eyrolles, 1987, 1^re éd. (présentation en ligne)

• Antonio Fischetti, Initiation à l'acoustique : Écoles de cinéma, BTS audiovisuel, ours, exercices corrigés, Paris, Belin, 2001.

• Mario Rossi, Audio, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2007, 1^re éd., p. 207-237, chap. 3, Acoustique statistique, §4 Acoustique statistique

• Jean-Dominique Polack, Herbert Alrutz et Manfred R. Schroeder, « Acoustique — Une nouvelle méthode pour décrire la réverbération », Comptes-rendus des séances de l'académie des sciences, Paris, Gauthier-Villars, t. 290,‎ 1983 (lire en ligne)

• (en) Hugo Fastl et Eberhard Zwicker, Psychoacoustics: Facts and Models, Springer, 2006 (ISBN 978-3-540-23159-2).

• (en) William J. Cavanaugh, Gregory C. Tocci et Joseph A. Wilkes, Architectural Acoustics: Principles and Practice, John Wiley & Sons, 2009 (ISBN 978-0-470-19052-4, lire en ligne).

Articles connexes

• Temps de réverbération
• Chambre réverbérante
• Acoustique architecturale

Liens externes

• Philippe Raynaud, La réverbération acoustique, AudioFanzine
• (en) Reverberation - Hyperphysics
• (en) A database of measured room impulse responses to generate realistic reverberation effects
• (en) Spring Reverb Tanks Explained and Compared
• IRCAM, Visite virtuelle : Espace de projection (« Espro ») - Chambre anéchoïque (« Chambre sourde »)