La différence entre un enregistrement analogique et numérique - The difference between analog and digital recordings

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La différence entre un enregistrement analogique et numérique

             En 1877, Thomas Edison crée le premier appareil pouvant enregistrer des sons.  Il invente le phonographe qui utilise une aiguille branchée à un diaphragme qui trace un signal analogique sur un cylindre recouvert d’une feuille d’étain. 

(Source Wikipedia)

             Vous parlez dans l'appareil alors que le cylindre tourne et il enregistre ce que vous dites sur le cylindre sous forme analogique (par vibrations).  Pour écouter l'enregistrement, il suffit de laisser glisser l'aiguille sur le sillon gravé sur la feuille d’étain et la vibration du diaphragme émet le même son qui a été enregistré.

             Emil Berliner améliore le système en 1887 en transférant l'enregistrement sur une plaque horizontale avec des traits en spirales ce qui rend la reproduction plus facile.  Le phonographe moderne utilise la même technique sauf qu'il amplifie le signal lu par l'aiguille plutôt que d'utiliser un diaphragme.

 (Source: How stuff works)

Voici une représentation d'une vague analogique à 500 Hertz (500 oscillations par seconde).  Le principe est simple : lorsque vous écoutez l'enregistrement, l'aiguille vibre de la même façon que lorsque vous avez fait l'enregistrement.  Le problème avec ce type d'enregistrement est que la friction de l'aiguille finit par passer au travers du médium, le rendant inutilisable.  Les disques de vinyle souffrent du même problème même si ils sont plus durables.

             Un enregistrement numérique a pour but de produire un enregistrement haute-fidélité (très grande similitude entre le son original et la reproduction) et une reproduction parfaite (le son enregistré semble identique chaque fois qu'on l'écoute, quel que soit le nombre de fois qu'on l'écoute).

             Pour créer un enregistrement numérique, les vagues sont converties en 0 et en 1 en utilisant un appareil appelé un convertisseur analogique-numérique (CAN).  Et pour l'écouter, on utilise un convertisseur numérique-analogique (CNA).  La conversion sera toujours identique tant qu'il n'y a pas de corruption dans le fichier.  La grande qualité de l'enregistrement est due à la haute fréquence d'échantillonnage. 

             Pour comprendre pourquoi les CD ont une si grande qualité, il faut examiner le procédé derrière la conversion analogique-numérique.  Il y a deux variables sur lesquelles vous avez un certain contrôle:

- La fréquence d'échantillonnage, qui contrôle le nombre d'échantillons par seconde,

- La précision de l'échantillonnage, qui contrôle le nombre de gradations possibles. 

 (Source Wikipedia)

Sur un CD normal, la fréquence d'échantillonnage (t) est de 44,100 et la précision de l'échantillonnage (f(t)) est de 65,536.  À ce niveau, la reproduction à la sortie de la CNA est tellement près de l’original que le son semble parfait à l'oreille humaine. 

             L'inconvénient de cette méthode est la dimension du fichier créé :

44,100 échantillons/(canal*seconde) * 2 octets/échantillon * 2 canaux * 74 minutes * 60 secondes/minute = 783, 216,000 octets

             Un CD peut contenir 74 minutes de musique enregistrée.  1,4 millions bits par seconde égale 176 000 d’octets par seconde.  Si une chanson dure en moyenne trois minutes, alors la chanson moyenne sur un CD consomme environs 32 millions d’octets (ou 32 mégaoctets) d'espace.

 

Les MP3

             Le but des MP3 est de compresser la dimension du fichier de 10 à 14 fois sans affecter la qualité sonore.  La chanson de 32 Mb mentionnée plus haut serait compressée à 3 Mb.  Le MP3 permet de télécharger plus rapidement et laisse plus d'espace sur votre disque dur pour y stocker plus de chansons.

             On compresse presque tous les types de fichiers : fichiers texte (.zip), photos et images (.gif, .jpg).  La technique pour un fichier de musique s'appelle « perceptual noise shaping » - qui veut dire que la qualité perceptuelle est améliorée puisqu’on utilise des caractéristiques de l'ouïe humaine dans son algorithme.

En supposant que :

• l'oreille humaine ne perçoit pas certains sons,
• l'oreille humaine détecte certains sons mieux que d'autres,
• si deux sons sont entendus en même temps, le son le plus fort sera perçu mais pas le son le plus faible.

             Basé sur ces faits, certaines parties de la chanson peuvent être supprimées.  En compressant 10 fois ce qui reste du fichier, on obtient un fichier assez près de la qualité d'un CD.  Mais parce que certaines parties de la chanson sont supprimées, les experts sont d’avis que la pièce musicale n'a pas la même qualité que celle du CD.

             Vous pourriez créer 2 fichiers différents de la même chanson et percevoir une différence dans la qualité du son uniquement en changeant le débit binaire (le nombre de bits par seconde encodé dans le MP3).  Plus le débit est bas, plus il y aura de l'information supprimée. La plage de débit binaire se trouve entre 96 et 320 kilooctets par seconde (kbps).  Un débit binaire de 128 kbps est équivalent à ce que vous entendez à la radio.  Plusieurs sites d'experts et de bloggeurs recommandent d'utiliser 160 kbps ou plus pour atteindre la qualité sonore d'un CD. 

             Certains audiophiles estiment que les fichiers MP3 sont de piètre qualité même avec un débit binaire élevé et considèrent le MP3 inférieur au CD et au vinyle

             Quelle que soit votre appréciation du MP3, il a révolutionné l'industrie de la musique en simplifiant le téléchargement de vos chansons préférées,  vous permettant de vous les procurer en tout temps et de personnaliser votre liste d’écoute.  Vous pouvez les écouter n'importe où.  Le baladeur MP3 se glisse dans une poche et même votre téléphone intelligent joue les MP3. 

Quelques liens intéressants:

Des chats acrobates 

Jeune chef d'orchestre 

Film d'action avec enfants 

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English version

The difference between analog and digital recordings

             In 1877, Thomas Edison created the first device that recorded sound for playback.  He invented a phonograph that used a needle connected to a diaphragm that scratched an analog signal onto a tinfoil cylinder.

 (Source Wikipedia)

You would speak into his device while the cylinder was being turned, and it recorded what you said onto the cylinder in an analog form (vibrations).  To play back, the needle would run through the scratches made on the tin foil and the vibration on the diaphragm would emit the same sound you had recorded.

             Emil Berliner improved the system in 1887 by transferring the recording onto a horizontal spiral groove which was much easier to mass produce.  The modern phonograph works much the same way, except it amplifies the signal read by the needle rather than using a diaphragm.

  (Source: How stuff works)

Here is a representation of an analog wave at 500 Hertz (500 oscillations per second).  The principle is simple.  As you play the recording, the needle vibrates the same way it did when you recorded the sound.  The problem with this type of recording is that the friction will eventually work its way through the medium making it useless.  Vinyl records suffered from the same issue even though they were more durable.

             In digital recordings, the goal is to produce a high fidelity recording (very high similarity between the original signal and the reproduced signal) and perfect reproduction (the recording sounds the same every time you play it regardless of the number of times it is played).

             To create a digital recording, the waves are converted into 0 and 1's by using a device called an Analog-to-Digital Converter (ADC).  And to play back, it is converted to analog form by using a Digital-to-Analog Converter (DAC).  The conversion will always be the same as long as there is no corruption. The high quality of the recording is due to the high sampling rate.

             To appreciate why CD's have such high quality you need to understand the process behind the analog-to-digital conversion.  There are two variables that you have control over:

- The sampling rate controls the number of samples taken per second.

- The sampling precision controls the number of gradations that are possible.

 (Source Wikipedia)

On a regular CD, the sampling rate is (t) 44,100 and the sampling precision is (f(t)) 65,536.  At this level, the output of the DAC is so close to the original waveform that it sounds perfect to most human ears.

             The downside to this is the size of the file it creates. 

44,100 samples/(channel*second) * 2 bytes/sample * 2 channels * 74 minutes * 60 seconds/minute = 783,216,000 bytes

             A CD can contain 74 minutes of recorded music.  1.4 million bits per second equals 176,000 bytes per second. If an average song is three minutes long, then the average song on a CD consumes about 32 million bytes (or 32 megabytes) of space.

MP3's

             The goal with MP3`s was to compress the size 10 to 14 times without noticeably affecting the CD quality sound.  The 32 Mb song mentioned earlier would be compressed to 3 Mb.  It lets you download much faster and leaves space on your hard drive for more songs.

             We compress most types of files, for text files (zip), for image files (gif, jpg).  The technique for sound files is called “perceptual noise shaping”.  “Perceptual” because it uses characteristics of the human ear in the algorithm.

• There are sounds that the human ear cannot hear.
• There are sounds that the human ear hears clearer than others.
• If there are two sounds playing at the same time, the louder sound will be heard but not the softer one.

             Based on these facts, certain parts of the song can be eliminated.  Compressing the remainder of the file by at least 10 times creates a near CD quality file.  But because some of it has been removed, experts claim the song doesn't sound as good as the CD.

             You can create two different files of the same song and see a difference in quality just by changing the bit rate (the number of bits per second encoded in the MP3).  The lower the bit rate, the more information will be discarded.  Bit rates range from 96 to 320 Kilobytes per second (kbps).  A bit rate of 128 kbps is equivalent to what you hear on the radio.  Many sites and blogs urge people to use 160 kbps or higher to get near CD quality sound. 

             Some audiophiles look down at MP3 files and argue that even at the highest bit rate, MP3's are inferior to CD or vinyl records.

             Whatever you think of MP3 files, they have revolutionized the music industry by making it easy to download your favorite songs anytime and create custom playlists.  You can play them anywhere.  MP3 players fit in your pocket, even Smartphones can play MP3's.

A few interesting links:

Acrobatic cats

Child conductor

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