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Acoustique virtuelle, le son recalculé
1 janv. 2000 - par Franck ERNOULD
L'acoustique assistée par ordinateur existe depuis des années. Les progrès réalisés, notamment en matière de processeurs, permettent désormais de synthétiser des environnements acoustiques très complexes, intégrant en temps réel de multiples facteurs. L'acoustique virtuelle va bouleverser nos habitudes sonores.
L'acoustique "appliquée" au bâtiment, de la salle de concert au hall de gare, tient à la fois de l'art et de la science. La propagation des ondes sonores est un phénomène très complexe, faisant intervenir les trois dimensions de l'espace, le profil dynamique du son et son spectre, les conditions atmosphériques, les matériaux employés, la forme de la salle Quelques formules théoriques permettent, en partant de critères "objectifs" (dimensions, caractéristiques d'absorption des matériaux ), de prédire le temps de réverbération, l'absorption moyenne, la répartition des réflexions entre les murs, le plancher et le plafond. Mais les mauvaises surprises ne sont pas rares : citons l'exemple du nouveau Bundestag, à Bonn, dont l'ouverture a dû être retardée à cause d'énormes problèmes acoustiques. Il subsiste toujours un certain écart entre la salle "calculée" et la réalité, les équations ne prennent pas en compte toutes les subtilités. D'autre part, même si l'acousticien part de données objectives pour effectuer ses calculs, le son perçu est toujours, "au final", jugé selon des critères subjectifs. Autrement dit, les termes employés pour décrire l'acoustique d'une même salle seront probablement différents pour chaque personne. Chacun a son propre jargon, ce qui donne parfois lieu à des dialogues de sourds entre l'acousticien et ses partenaires, architecte, scénographe, musiciens, financiers
| Cuves à ondes et ultrasons | |
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Les premiers outils de prévision de comportement des salles nécessitaient une réalisation physique à échelle réduite. Wallace Sabine, le fondateur de l'acoustique moderne, utilisa pendant longtemps une cuve à ondes. Il immergeait dans quelques centimètres d'eau un profil plan de la salle, vue en coupe du sol au plafond. Les ondes planes générées par un petit vibreur à la surface de l'eau venaient se heurter aux formes de la maquette, et permettaient de se rendre immédiatement compte de problèmes de focalisation du son en certains endroits, par exemple. En fonction des résultats observés, Sabine modifiait alors les volumes sans calculs "fins", en écoutant son expérience et son instinct, et les changements qu'il demandait restaient suffisamment raisonnables pour que le concepteur reconnaisse quand même son projet. Il faut avouer que le plus souvent, les architectes partent de formes préétablies, signifiantes visuellement, sans prendre en compte dans leur choix les propriétés acoustiques de ces formes. Pour prendre un exemple extrême, implanter une grande surface vitrée est satisfaisant sur le plan visuel : la lumière entre à flots, créant une transparence totale. Au niveau acoustique cependant, rien n'apporte plus de troubles qu'une surface réfléchissante comme le verre, qui provoque des échos, des phénomènes de focalisation Acousticien et architecte n'ont pas du tout la même façon de voir les choses !
Une autre façon de prévoir la réponse d'une salle était d'en réaliser une maquette au 1/20è par exemple, puis de la bombarder de sons de longueur d'onde "à l'échelle", donc de fréquences multipliées par 20. L'expérimentateur travaille alors pour une bonne part dans le domaine des ultra-sons, pour lesquels l'absorption par l'air n'est plus du tout négligeable. On peut remplacer l'air par de l'azote, ou effectuer des corrections très compliquées. Bref, les résultats, là encore, sont entachés d'erreurs. Qui plus est, ces deux procédés nécessitent la construction longue et coûteuse de maquettes détaillées, qui ne peut commencer que lorsque les concepteurs ont déjà une idée très avancée de la réalisation de la salle. Devant les résultats obtenus, l'acousticien est alors parfois réduit à jouer les "pompiers", et doit utiliser toutes les ressources de son art pour rendre acceptable une acoustique au départ franchement mauvaise, due à des parti-pris qui auraient pu être évités par la discussion ou une modélisation plus précoce.
| Modélisation informatique | |
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Une salle, quelle qu'elle soit, se résume toujours à un nombre fini de surfaces géométriques élémentaires d'aire, d'inclinaison et de coefficient d'absorption connus. Ces formes élémentaires portent le nom de "facettes". Les occupants éventuels de la salle, du public aux fauteuils, ont eux aussi des propriétés acoustiques quantifiables. Il existe des bibliothèques regroupant les caractéristiques des centaines de principaux matériaux employés. Plus on prend en compte de facteurs, en leur appliquant les formules "élémentaires" de l'acoustique, plus on peut s'approcher de la réalité.
Les ordinateurs ont donc été rapidement mis à contribution pour effectuer ces millions de calculs. C'est la voie choisie par Bose dès 1985 pour son logiciel professionnel Leveler, dédié à l'étude acoustique des salles, dans le cadre bien défini de la sonorisation d'espaces par haut-parleurs. La saisie à la main de toutes les caractéristiques des quelques centaines de facettes (Leveler en admet jusqu'à 768) composant une salle, des aménagements de celle-ci, et des emplacements des enceintes de diffusion (jusqu'à 100, dont les caractéristiques de rendement et de directivité figurent dans une base de données à part) est certes fastidieuse, mais elle se trouve récompensée dans le spectacle émouvant d'une unité centrale "moulinant" des calculs (pendant toute une nuit, sur les Macintosh de l'époque) avant de délivrer les résultats sous forme de courbes, d'évaluations de "facteurs d'intelligibilité", de calculs des temps d'arrivée, de représentations graphiques colorées de la couverture sonore Sur les PowerMac d'aujourd'hui, la dixième version de ce logiciel fournit son diagnostic détaillé en quelques minutes. On reste toutefois dans le domaine des chiffres et des diagrammes complexes (représentation des trajets des ondes sonores lors des dizaines de premières réflexions, par exemple), qui ne peuvent être décryptés que par des spécialistes. Une fois de plus, on parle du son de la salle, on le représente de plus en plus finement, mais il serait beaucoup plus immédiat de pouvoir le faire écouter
| Intermezzo mathematico | |
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Cette modélisation fine, effectuée au départ pour appliquer de formules acoustiques simples, peut aussi servir à calculer ce qu'on appelle la "réponse impulsionnelle" de la salle. Sans entrer dans des notions mathématiques poussées, simplifions en disant qu'on peut considérer toute salle comme une sorte de filtre, à l'égal d'un filtre répartiteur dans une enceinte acoustique, par exemple : une boîte noire, dont le comportement est linéaire. Dans le domaine numérique, plus il traite d'échantillons, meilleure est sa définition (on parle de "longueur" du filtre). Tout filtre est parfaitement caractérisé par ce qu'on appelle sa réponse impulsionnelle. Autrement dit, n'importe quelle salle est parfaitement définie, en un point donné, par sa réponse dans le temps à une impulsion sonore brève (un clap de cinéma, par exemple).
Plus fort encore : le mathématicien français Fourier a prouvé qu'un son quelconque peut toujours être décomposé en une somme de sinusoïdes. Autrement dit, tout son peut être représenté aussi bien par son évolution dans le temps que par son contenu en fréquences Appliquons ce principe à notre salle : si nous avons enregistré son comportement dans le temps face à une impulsion sonore, nous pouvons en déduire son comportement dans le domaine fréquentiel, les couleurs qu'elle apporte, etc
Toujours plus fort : d'autres théories mathématiques permettent, à partir de la réponse impulsionnelle d'une salle et d'un signal "neutre", non coloré acoustiquement, d'obtenir par une opération nommée convolution la réponse de la salle à ce signal. En termes clairs : à partir de la signature sonore de la salle, et d'un son enregistré en chambre sourde, on peut calculer ce que donnerait ce son dans cette salle, au point de référence. Et cette restriction à un signal enregistré en milieu non résonant devrait tomber d'ici peu, avec les progrès des techniques dites de déconvolution, visant à isoler un signal de son contexte acoustique.
| Des calculs au son : simulation d'acoustiques | |
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Passer des modèles à un signal audible est le domaine réservé des processeurs numériques de signal et des cartes son C'est ce que Bose a réalisé avec le système Auditioner (incluant DSP et module d'écoute), qui est venu dès 1991 s'ajouter au logiciel Leveler. A l'époque, la partie traitement du signal consistait en quelques réverbérations, échos et filtres électroniques reliés entre eux. C'est désormais une carte DSP (développée par l'Australien Lake) qui reprend le fichier des données calculées de la salle, intègre l'emplacement de l'auditeur décidé par l'opérateur, et en déduit le filtre correspondant par calcul. Le signal (CD de voix ou de musique, micro ) présent à l'entrée audio du DSP est pris en compte et intégré dans l'acoustique simulée de la salle. Le DSP fournit deux signaux différents, un par oreille, et travaille en temps réel, avec toutefois un décalage de deux secondes. Ces signaux sont ensuite reproduits par un module Bose (dérivé des célèbres enceintes Acoustimass) dont les tolérances sont draconiennes : 0,1 dB de différence de réponse entre les deux haut-parleurs. L'emplacement de la tête de l'auditeur est fixé par un repose-menton, l'angle et la distance des satellites sont fixes également, ce qui impose une position d'écoute identique à tous. Les résultats sonores sont étonnants, la simulation de la salle crédible et, selon Bose, très souvent proche du résultat final. L'Auditioner n'est pas disponible à la vente, mais mis en oeuvre par Bose en collaboration avec des prestataires de service.
| Synthèse d'acoustiques | |
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Le Leveler sert à estimer des niveaux de couverture sonore en champ direct : dans cette optique "sono", la réverbération d'une salle est un défaut dont il faut s'affranchir. Il existe bien d'autres systèmes, associant par exemple le logiciel Catt Acoustic, pour PC, et une carte son Turtle Beach ou, pour soulager le microprocesseur du micro-ordinateur et permettre de travailler en temps réel, des processeurs dédiés Lake FDP1 plus (2 canaux de reproduction) ou Huron (jusqu'à 256 canaux !). Ces systèmes fonctionnent tous sur des principes de convolution numérique en temps réel et s'efforcent, eux, de synthétiser le plus finement possible la réverbération d'une salle simulée. Il faut savoir que ce sont les cent premières réflexions dans une salle qui caractérisent subjectivement la qualité d'une réverbération. La connaissance temporelle la plus précise possible du comportement d'un son lancé dans une salle permet de déceler des défauts de conception et d'y remédier avant même que les travaux aient commencé. On peut aussi entrer directement la réponse d'une salle existante, et chercher comment l'améliorer. Grâce aux cartes son, l'acousticien peut, preuves sonores à l'appui, justifier un aménagement particulier auprès de l'architecte. La modification de tel détail trouve ainsi immédiatement sa traduction sonore. Cette forme d'acoustique virtuelle va ainsi dans le sens des sensations, d'une plus grande sensibilité : le recours à des mots forcément imprécis n'est plus nécessaire, il suffit d'écouter le résultat, sur deux canaux, au casque ou sur des enceintes.
| Synthèses d'environnements | |
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D'une simulation de salle à la simulation d'environnements évolutifs plus complexes, il n'y a qu'un pas à franchir. En répartissant les signaux correspondant à des réflexions élémentaires sur des haut-parleurs multiples répartis un peu partout dans une salle quelconque, on peut donner à cette dernière un caractère acoustique complètement différent. L'IRCAM est très engagé dans ce domaine, avec le "Spatialisateur" : la possibilité de faire varier instantanément l'acoustique de la salle de concert, en accord avec les climats de l'oeuvre, ouvre aux compositeurs contemporains des horizons nouveaux. Dans le même ordre d'idée, mais en plus "gadget", a eu lieu récemment à Central Park un concert en plein air où des haut-parleurs suspendus au-dessus de la tête des spectateurs permettaient de recréer une acoustique d'église, en harmonie avec les oeuvres jouées.
Les DSP calculant les signaux élémentaires des réflexions peuvent également être programmés pour intégrer une modification dynamique de l'emplacement du point d'écoute. Autrement dit, la synthèse de la réverbération peut suivre en temps réel les déplacements virtuels de l'auditeur Il suffit d'équiper le casque d'écoute d'un capteur de position, qui transmet les mouvements de la tête de l'auditeur ! Les applications sont innombrables et prometteuses, dans le domaine en plein essor des images de synthèse en 3D par exemple. Ces techniques sont malheureusement encore confidentielles, ce qui fait que récemment, à un salon à Montpellier, personne ne s'étonnait de voir une recréation en images de synthèse fort réussies d'une église disparue, dans laquelle on pouvait se déplacer par l'intermédiaire d'un joystick, "agrémentée" d'une musique d'orgue stéréo "plaquée", dont l'image sonore ne suivait aucunement les déplacements à l'écran ! Les outils existent pourtant, et sont sans nul doute appelés à se répandre rapidement.
| Capture d'environnements | |
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Parallèlement à la synthèse de milieux sonores inouïs, les recherches menées en acoustique virtuelle s'intéressent également à la manière de capter le plus simplement possible des informations sonores de spatialisation. Un exemple d'application est fourni par le CEA : lors du démantèlement des centrales nucléaires, des robots vont travailler dans des zones irradiées où l'homme ne peut accéder. Leur pilotage s'effectue pour l'instant par une interface essentiellement visuelle, exploitant les informations fournies par des caméras télécommandées. Cette interface montre cependant ses limites dans le cas banal d'une perte d'outil, qu'il est parfois très long de retrouver en orientant les caméras au hasard. Les ingénieurs du CEA souhaitent introduire la perception acoustique dans l'interface de commande. Correctement capté, et transmis à l'opérateur dans un casque développé pour les applications d'acoustique virtuelle, le son permettrait de savoir instantanément où chercher l'outil perdu, en distance comme en position.
Ce capteur sonore pourrait être le micro anglais Soundfield Mk V, unique en son genre, qui comporte quatre capteurs de pression montés en tétraèdre. Ces quatre voies sont absolument nécessaires pour transporter toutes les informations nécessaires à un repérage tridimensionnel. Par traitement externe, on peut à partir de cet unique micro émuler les caractéristiques de directivité de n'importe quel couple stéréo.
| Les applications actuelles | |
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Les studios professionnels disposent depuis longtemps déjà de réverbérations numériques paramétrables, capables de recréer d'un geste un grand nombre d'acoustiques "type". Leurs processeurs sont cependant programmés d'une manière radicalement différente de celle des logiciels d'acoustique virtuelle. Pour des raisons d'économie de puissance, les calculs font intervenir des mises en boucle de réflexions, ce qui fait que ces réverbérations ne "trompent" pas une oreille expérimentée, qui perçoit leurs approximations sur certaines consonnes par exemple. Les réverbérations recréées d'après modélisation de salles virtuelles sont plus fines, et prennent en compte les distributions spatiales et temporelles des premières réflexions dans la salle, les transitoires des instruments. Bref, la simulation acoustique qu'elles proposent est plus crédible.
Au Japon, le service "Réservation" d'une salle de concert propose depuis quelques années au client d'entendre immédiatement le son qu'il percevra depuis la place qu'il a choisie. Ce système assez rudimentaire de simulation d'écoute en situation a été "bricolé" au moyen de quelques appareils professionnels de studio signés Sony et Yamaha, intelligemment reliés entre eux. Le service tel qu'il est aujourd'hui reçoit paraît-il un fort bon accueil auprès des clients, et pourrait être facilement amélioré par le recours à de "vrais" processeurs dédiés. Inutile de préciser que dans un proche avenir, les autoroutes de l'information pourraient proposer l'équivalent interactif de ce service à domicile
La NASA travaille beaucoup sur le repérage dans l'espace, en conditions d'apesanteur. Il apparaît que la recréation, par un casque capteur de mouvements, d'un univers acoustique crédible suivant fidèlement les évolutions des astronautes, aide ceux-ci à mieux se repérer et à lutter contre le mal de l'espace. La NASA consacre donc des crédits importants aux recherches en acoustique virtuelle.
Les compagnies européennes de téléphone, présentes sur le juteux marché de la téléconférence, suivent également de près ces développements. Une téléconférence rassemble des participants autour d'une table de réunion virtuelle : là aussi, le son doit "suivre l'image". Lorsque plusieurs intervenants parlent en même temps, ils saturent le canal de transmission sonore, aucune discrimination n'est plus possible, le message est perdu. Replacer ces intervenants dans un environnement sonore spatialement crédible permet à l'auditeur de reprendre des processus d'écoute binaurale intelligente : ses deux oreilles travaillent à nouveau efficacement, peuvent recréer le "cône de présence" (autrement dit se focaliser sur une zone d'émission précise dans un environnement bruyant : c'est ce qu'on appelle l'effet "cocktail party"), et le gain d'intelligibilité est énorme, équivalent à un gain de 6 à 10 dB.
Ce principe de spatialisation des sources pour éviter la confusion est également appliqué chez les contrôleurs aériens. Ceux-ci travaillent sur une interface visuelle déjà modélisée : les signaux lumineux correspondant aux avions apparaissant sur leur écran de contrôle. La vigilance du sens visuel demande un effort constant, alors que le sens auditif agit en quelque sorte en "tâche de fond" : la vigilance auditive est passive. En situation de crise, où la rapidité prévaut, un signal d'alerte sera donc plus vite ressenti et discriminé par un signal auditif que par un signal visuel. Il est inutile de recréer un champ acoustique sophistiqué dans le casque des contrôleurs aériens, il suffit de spatialiser les signaux correspondant aux six ou huit avions suivis simultanément.
Ces trois dernières applications requièrent un casque équipé de capteurs de position, qui renvoient aux processeurs chargés de synthétiser l'environnement acoustique des signaux modélisant la position de la tête du porteur. Notre cerveau fonctionne également ainsi pour définir la provenance de certains sons : inconsciemment, notre tête est animée de petits mouvements de rotation qui servent à comparer les différences d'informations arrivant à nos oreilles. La résolution angulaire suffisante du capteur de position est d'environ 10 , et l'écoute au casque est ainsi débarrassée de son gros défaut : l'impression de "son dans la tête". L'audition binaurale, par les deux oreilles, est alors possible.
Une autre application est la rééducation de personnes devenues aveugles à la suite d'un accident. Développer et éduquer leur sens auditif progressivement, en ayant recours à des acoustiques de pièces virtuelles diffusées dans un casque, leur permet de retrouver un moyen d'appréhender les volumes et les distances, que les non-voyants de naissance ont intégré dès leur plus jeune âge.
Enfin, nul doute que les fanatiques de jeux vidéo seraient ravis de pouvoir entendre un son en rapport avec la situation qu'ils jouent. Il existe d'ailleurs déjà des engins au look évoquant Mad Max, combinant écrans de visualisation, écouteurs, et capteurs de position. Le marché est énorme, mais les efforts à fournir sur le plan de la création sonore aussi. En intégrant les progrès de l'acoustique virtuelle, le monde du jeu vidéo entrera dans un autre âge !
| Les applications futures | |
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Les puissances de calcul augmentent avec les possibilités de microprocesseurs, et les coûts baissent sans cesse. Il est donc raisonnable de penser que des configurations coûtant plus de 100000F aujourd'hui seront abordables d'ici quelques années par les mélomanes. Les techniques issues de l'acoustique virtuelle proposeront de nouvelles manières de percevoir la musique à domicile, dans le sens d'une plus grande immersion sonore. Les réponses impulsionnelles des salles d'enregistrement pourront être mises à la disposition du public sous forme de fichiers informatiques logés sur la première plage du CD+ d'un enregistrement de musique classique, par exemple. Le CD lui-même proposerait la version "spatialisée par l'ingénieur du son" d'une oeuvre musicale, mais il serait loisible au mélomane de reprendre le processus à son goût. L'ordinateur isolerait dans un premier temps le signal musical de la salle, puis le replacerait virtuellement dans une autre salle dont les caractéristiques lui seraient fournies.
Dans le principe, cette manipulation n'est pas très éloignée des processeurs d'acoustique déjà disponibles sur le marché, offrant le choix entre différentes acoustiques de clubs de jazz, de salle de concert ou de cinéma. La différence est que dans ce cas, cette ambiance grossièrement synthétisée vient se superposer à celle existant déjà sur l'enregistrement, alors que le recours à l'acoustique virtuelle déboucherait sur des résultats plus "naturels". Des CD-ROM proposant les signatures acoustiques des plus célèbres salles de concert du monde permettraient à l'amateur de varier les plaisirs à l'infini
Matsushita a présenté un prototype significatif de sa conception globale du futur salon d'écoute. Il se présente sous la forme d'un mur à facettes, intégrant à la fois les traitements acoustiques et l'électronique : le téléviseur, les différentes enceintes, les appareils sont disposés de manière calculée, non modifiable, pour la meilleure diffusion sonore possible. Les techniques d'acoustique virtuelle permettent de personnaliser l'audition à l'extrême. Jusqu'à récemment, les courbes d'égalisation pour l'écoute binaurale synthétisée par le logiciel Catt Acoustic étaient calibrées pour un casque STAX Lambda. Mais en fait, tout casque peut voir son comportement sonore estimé, sa réponse finement évaluée et modélisée en filtre, ce qui permet aux processeurs de corriger le message qu'ils calculent en fonction des défauts du casque. On est alors assuré de sa linéarité de la reproduction. Les laboratoires de mesure de casques ont donc du pain sur la planche
Allons encore plus loin. Chaque individu possède une tête de forme et de taille propres, et le dessin de ses pavillons d'oreille lui est exclusif. Ces particularités, en acoustique virtuelle, se modélisent sous forme de filtres différents pour chacun, qu'on communique au processeur. Pouvoir établir chez soi la réponse de ses propres filtres permettrait donc d'affiner encore la spatialisation lors d'une écoute au casque. Il paraît que des constructeurs comme Sony et Yamaha se montrent très intéressés devant les perspectives commerciales dévoilées par cette idée
Quittons un instant nos salons pour les plateaux de cinéma ! On sait que la plupart des réalisateurs, quelques puristes mis à part, refont une partie de leur son direct après le tournage, en post-synchronisation. Le problème de l'ingénieur du son, lors du mixage, consiste à faire "raccorder" les phrases refaites en auditorium avec les phrases originales, voire certaines scènes entre elles. Imaginons que l'ingénieur du son "tournage" ait recueilli la réponse impulsionnelle du lieu où il a enregistré. En l'injectant dans un processeur dédié, ainsi qu'une voix enregistrée en champ proche, sans résonance (en cabine d'extérieur, par exemple), on aura vraiment l'impression que la voix sonne dans le lieu de tournage. Le raccord sera donc immédiatement presque parfait. D'autres applications pourraient concerner la restauration d'archives, la récupération d'enregistrements trop colorés ou trop réverbérés, etc...
On s'aperçoit, à la lecture de cette liste non exhaustive, que c'est toute notre conception de l'écoute et de la restitution sonore qui sera bouleversée par l'avènement de l'acoustique virtuelle. Un problème de taille subsiste : développer une interface conviviale pour le grand public, lui permettant de gérer simplement les divers éléments permettant de simuler les phénomènes acoustiques les plus complexes. Une fois ce problème résolu, il sera très difficile de revenir en arrière dans bien des domaines. Mais l'écoute musicale chez soi d'un enregistrement soigneusement réalisé dans une "vraie" salle par un ingénieur du son talentueux et bien équipé ne restera-t-elle pas pour beaucoup d'audiophiles bien supérieure à une recréation, si finement calculée soit-elle ?
| Cd anechoiques | |
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A l'intention des rares spécialistes ayant besoin de ce genre d'enregistrements, existent quelques CD comprenant des plages enregistrées en chambre sourde. Rappelons qu'un tel local est entièrement tapissé de produits absorbant le son, et qu'aucune réflexion sonore ne peut s'y produire. L'impression sonore ressentie est parfois proche du malaise, les instruments comme les voix sonnent très bizarrement, mais la chambre sourde est le seul moyen de s'affranchir de l'influence d'un local. Elle sert essentiellement à mesurer des niveaux sonores, mais on peut y enregistrer également des musiciens. B&O ("Music for Archimedes"), Denon ("Anechoic Orchestral Music Recording") ou Technics proposent ainsi aux amateurs de spatialisation de la matière première pour faire travailler les processeurs
Remerciements à Bruno SUNER, de la société Euphonia, spécialisée en acoustique virtuelle, et à Eric CHIQUET et Dominique MARPHAY, du département professionnel de Bose France, pour leur précieux concours à l'élaboration de cet article.
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