Le delay dans une installation sonore : une enceinte par sortie d'amplificateur

Le son prend du temps

Le son parcourt l'air à 343 m/s à 20 °C. Ramené en temps, un mètre coûte 2,9 ms. Une enceinte à 3 m de l'auditeur émet 8,7 ms avant qu'il n'entende ; à 10 m, 29 ms.

Avec une seule source, ce retard est sans effet. Mais une installation en compte plusieurs : une façade et des rappels au fond d'un lounge, des enceintes au plafond qui relaient la source principale d'un restaurant, des enceintes de remplissage au centre d'un club. Chacune diffuse le même signal depuis une position différente et arrive à l'oreille à un instant différent.

Ce qui se passe quand les arrivées ne coïncident pas

Deux enceintes qui reproduisent le même signal avec un décalage, même court, voient leurs ondes s'additionner dans l'air. Cette addition dépend de la phase relative des deux signaux, qui varie avec la fréquence pour un décalage fixe. À certaines fréquences, les deux arrivent en phase et se renforcent ; à d'autres, en opposition, et s'annulent en partie.

Ce phénomène s'appelle filtrage en peigne (comb filtering). Sur la réponse en fréquence, il dessine une suite de pics et de creux régulièrement espacés dont la position dépend du retard. Un décalage de 1 ms place le premier creux à 500 Hz. Un décalage de 5 ms le ramène à 100 Hz, avec un creux tous les 200 Hz au-dessus. Le timbre devient creux ou dur selon la position dans la salle, et les voix perdent en netteté. En marchant dans la salle sur un bruit rose, on l'entend comme un chuintement dont la hauteur monte et descend à chaque pas. Les creux changent de fréquence d'une place à l'autre : une égalisation, qui agit partout de la même façon, ne peut pas les suivre.

La profondeur des creux dépend de l'écart de niveau entre les deux sources à l'oreille de l'auditeur. À niveaux égaux, l'annulation est totale aux fréquences d'opposition de phase. Plus l'une des deux domine, moins le peigne se creuse. Un système distribué dispose donc de deux leviers : réduire le décalage temporel entre sources voisines, et maintenir un écart de niveau entre les zones pour que chaque position soit dominée par une source.

L'effet de précédence (effet Haas) et la localisation

Au-delà du timbre, le décalage déplace l'image sonore. L'oreille situe une source d'après le premier son qui lui parvient : c'est l'effet de précédence, souvent appelé effet Haas, dont l'article sur la perception détaille le mécanisme et les seuils. Pour le réglage, deux conséquences comptent : quelques millisecondes d'avance suffisent à attirer l'image vers une enceinte, et un écart de niveau suffisant la rend à la plus forte, quel que soit le retard.

Pour une installation, la conséquence est directe. Si un rappel de fond de salle n'est pas retardé par rapport à la façade, les auditeurs qui en sont proches l'entendent en premier et perçoivent la musique comme venant de derrière eux. L'image se détache de la scène ou du bar d'où elle est censée venir.

Le remède consiste à retarder le rappel du temps que met le son de la façade pour l'atteindre, soit 2,9 ms par mètre. Ajouter une dizaine de millisecondes pour que le rappel arrive un peu après la façade ramène l'image vers l'avant à certaines places, mais ce retard volontaire remplace l'addition des deux sources par une somme qui ne gagne plus que 3 dB en moyenne sur la bande, creusée d'un peigne serré qui s'étend à toute la zone. Aligner les arrivées et régler l'écart de niveau tiennent l'image à l'avant à moindre coût. Pour un rappel fixé au plafond, au-dessus des tables, ce retard n'aide même pas l'image : entre le haut et le bas, l'oreille compare mal les instants d'arrivée et situe le son du côté de la source la plus forte. C'est le niveau qui tient l'image.

Cas concrets dans un système distribué

Le cas le plus courant est un système distribué : plusieurs enceintes réparties pour couvrir une grande salle, un couloir, une terrasse ou des zones séparées par des obstacles. Chaque enceinte est plus ou moins loin de la zone d'écoute principale et des autres enceintes. Une grille de plafonniers au même niveau, sans source principale, ne se retarde pas : chaque table est dominée par l'enceinte la plus proche. Le delay s'impose dès qu'une source principale, façade, cabine ou scène, coexiste avec des rappels.

Dans un restaurant sur deux niveaux, les enceintes du fond peuvent se trouver à 15 ou 20 m des sources principales, soit 45 à 60 ms environ de retard acoustique. Sans compensation, les clients du fond entendent d'abord les enceintes proches, puis la façade comme un écho diffus. La salle paraît réverbérante même quand elle est sèche. Dans le médium et l'aigu, un tel retard suffit à dédoubler voix et attaques ; dans le grave, il colore seulement le son.

Dans un bar avec des enceintes de remplissage sous une mezzanine, le problème se pose à plus courte distance. Un écart de 3 à 5 m représente 8,7 à 14,6 ms. À ces valeurs, le premier creux du peigne descend entre 34 et 57 Hz et les suivants se répètent tous les 69 à 114 Hz : le grave est touché le premier, et les creux se poursuivent dans tout le spectre. Dans le grave et le bas médium, ils s'entendent comme une coloration ; dans l'aigu, comme des attaques doublées.

Dans un club, les enceintes de remplissage centrales ou latérales suivent la même règle. Ajoutées sans delay cohérent avec le système principal, elles créent des lobes d'interférence qui dégradent la couverture au lieu de la compléter. Le delay se calcule sur la distance acoustique entre les deux systèmes et se confirme à la mesure. En club comme en bar, l'usage le plus courant du delay reste pourtant l'alignement des caissons de basses sur les enceintes principales, autour de leur fréquence de raccord : l'article sur les caissons le détaille.

Pourquoi une enceinte par sortie

Un amplificateur ou un processeur traite le signal par canal de sortie. Chaque canal porte une chaîne de traitement : niveau, égalisation, filtres, delay, limiteur de protection. Deux enceintes branchées sur la même sortie partagent ces paramètres, et donc le même delay.

Si ces deux enceintes se trouvent à des distances différentes de la zone d'écoute, elles ne peuvent pas être alignées. L'une reste en avance sur l'autre. Un réglage de niveau ou d'égalisation ne rend pas le temps manquant ; le peigne reste en place.

Un couloir en donne la mesure : une enceinte principale à l'entrée porte le son dans l'axe, et deux rappels au plafond, à 4 et 8 m, prennent le relais. Le son de l'entrée met 11,7 ms à atteindre le premier rappel et 23,3 ms le second : ce sont les valeurs de départ de leurs delays. Si l'enceinte principale et le premier rappel partagent un canal, un seul delay s'applique à la paire : le rappel joue 11,7 ms en avance sur le son qui arrive de l'entrée, et l'interférence s'installe dans la zone de transition, là où les gens passent.

Avec une sortie par enceinte, ou par groupe d'enceintes à la même distance de la source de référence, chaque point de diffusion reçoit son propre delay, calculé sur la distance et affiné à la mesure, son niveau, son égalisation selon la position, et un limiteur de protection réglé sur la tenue de l'enceinte.

Les architectures qui le permettent

Les amplificateurs à processeur intégré offrent plusieurs sorties indépendantes par appareil, chacune avec sa chaîne de traitement, et un rack en aligne autant que l'installation compte d'enceintes à traiter séparément. Pour les lieux à nombreuses zones, un processeur central, la matrice qui distribue, égalise et limite chaque sortie, route et traite chaque signal vers chaque sortie, et chaque point de diffusion devient un nœud indépendant de la chaîne.

La logique vaut pour un petit projet. Un amplificateur deux canaux avec processeur qui alimente deux enceintes à des positions différentes est déjà un système qui peut s'aligner. Ce qui compte est que le nombre de sorties soit fixé à la conception, et que le câblage, le routage et la programmation suivent. Le nombre de canaux décide de ce que le réglage final pourra faire.

Régler un delay

Le réglage commence par un calcul : la distance acoustique entre l'enceinte à retarder et l'enceinte de référence, multipliée par 2,9 ms/m. Pour un rappel à 8 m d'une façade, la valeur de départ est d'environ 23 ms. L'alignement n'est exact qu'en un point. Autour, l'écart revient ; tant qu'il reste sous 5 ms, le premier creux reste au-dessus de 100 Hz et le réglage tient. La vitesse du son gagne environ 1 % tous les 5,6 °C : sur un rappel calé à 23 ms, 10 °C d'écart décalent les arrivées de 0,4 ms, et le réglage tient aussi.

La mesure affine ensuite ce calcul. Un analyseur à deux canaux compare le signal électrique de référence à la pression acoustique en un point et affiche la réponse impulsionnelle, qui montre à quel instant chaque enceinte contribue à ce point. Elle corrige ce que le calcul ignore, comme les trajets réels et la hauteur des enceintes.

On y aligne la première arrivée de chaque enceinte, pas ses réflexions : on mesure donc là où le son direct domine, un rang avant le mur du fond plutôt que contre lui. À 1,5 m d'un mur dur, la réflexion arrive jusqu'à 8,7 ms après le son direct, moins si l'enceinte est décalée sur le côté, et se distingue sur la mesure ; contre le mur, elle se confond avec lui.

Le calcul suppose aussi que toutes les sorties ont le même retard interne. Chaque appareil numérique en ajoute un, propre à son modèle, que son écran affiche comme 0 ms : si le rappel passe par un autre processeur, amplificateur ou réseau audio, la différence s'ajoute, et 1,5 ms d'écart valent 51 cm. Sur un réseau Dante ou AES67, la latence se règle par flux, de 0,25 à 5 ms ; elle doit être la même sur tous les récepteurs d'une zone, faute de quoi l'alignement mesuré se décale à la première modification du réseau.

La polarité se vérifie avant tout réglage de delay. Un delay juste, appliqué à une enceinte câblée en polarité inversée, produit une annulation au lieu d'un renforcement. Elle se contrôle à l'analyseur : la réponse impulsionnelle la montre nettement dans l'aigu, moins dans le grave, dont les fréquences sortent plus tard. Les testeurs de polarité à impulsion, fiables sur un câble, se trompent sur une enceinte multivoie.

Le delay ne suffit pas à rendre un rappel discret. Chaque enceinte s'égalise d'abord seule, dans la zone qu'elle domine ; là où deux enceintes jouent au même niveau, corriger l'une change peu ce qu'on entend, et les creux qu'on y voit tiennent au décalage, pas au timbre. Le rappel suit ensuite trois règles. Son niveau ne dépasse pas celui de la façade là où ils se rejoignent. Son aigu se cale sur celui de la façade : plus proche des tables, il en a moins perdu dans l'air et paraîtrait plus brillant. Son grave s'atténue, voire se coupe : au fond, la façade apporte déjà un grave renforcé par la salle.

Ce que cela change dans un projet

Le delay se décide à la conception. Il fixe le nombre de sorties sur le processeur et les amplificateurs, donc la structure du système, et il entre dans le temps de mise en service : mesures, réglages par canal, vérifications à plusieurs positions.

Concrètement, l'étude recense les positions d'enceintes et les distances acoustiques entre elles, puis dimensionne les canaux de traitement. Mutualiser les sorties réduit le coût apparent du matériel et retire les degrés de liberté du calage, c'est-à-dire du réglage du système à la mesure, dans la salle finie. Avec un canal par distance, chaque point de diffusion s'aligne sur la zone qu'il couvre : les arrivées coïncident aux points de réglage, les niveaux restent proches d'une position à l'autre, et l'auditeur cesse d'identifier les enceintes.

Sources : Bob McCarthy, « Sound Systems: Design and Optimization ». Gary Davis et Ralph Jones, « Yamaha Sound Reinforcement Handbook ». Merlijn van Veen, « Time Sensitive », « Choose Your Battles », « A Track Named Impulse Response », « Coherence & Reverberation », « Know Your Time Records », « Temporalists vs Frequentists ». Merlijn van Veen, « Speed of Sound », Live Sound International. Merlijn van Veen, calculateurs « delay study » et « latency finder ».