Qu’est-ce que le filtrage en peigne, et comment l’éviter

Avez-vous déjà vécu une expérience lors d'un événement live, comme un concert ou un spectacle, où le son semblait sans présence, manquant de punch et de dynamique, ou avec un effet de phase perturbant lorsque vous vous déplaciez ? Si le système de sonorisation était composé d'un certain nombre d’enceintes empilées ou placées côte à côte, ou si le son était clairement réfléchi par des murs proches ou d'autres grandes surfaces perpendiculaires, ce que vous avez entendu est sans doute la conséquence du filtrage en peigne.

Pour comprendre ce phénomène, il est utile de rappeler d'abord ce qu'est l'interférence de phase, et plus précisément l'interférence de phase destructive. Lorsqu'une onde est superposée à une deuxième onde, de fréquence et amplitude identiques, mais parfaitement en opposition de phase (180 degrés), il se produit une annulation complète. Les deux formes d'onde s’annulent en s'additionnant, c'est ce qu'on appelle l'interférence de phase destructive.

Le filtrage en peigne se produit lorsque certaines fréquences sont accentuées et d’autres atténuées par la superposition d'une version retardée du signal audio au signal audio original. En outre, pour que cet effet de filtrage en peigne soit perceptible, la différence de niveau entre les signaux doit être inférieure à 10 dB. La courbe de réponse en fréquence résultante d'un filtre en peigne consiste en une série de creux régulièrement espacés, qui lui donnent l'apparence des dents d'un peigne.

Cette superposition conduit à certaines annulations et amplifications dans le spectre audio, ce qui donne un son qui semble métallique. Les voix prennent un son dur et agressif en raison de l'absence de parties importantes des fondamentales de leur spectre.

Les filtres en peigne deviennent particulièrement gênants lorsqu'ils changent au fil du temps, comme cela peut se produire lorsque la source sonore (par exemple, un musicien/instrument) ou le microphone se déplace pendant le spectacle ou l'enregistrement. Du coup, les premières réflexions changent continuellement, donc le filtrage en peigne se déplace sur le spectre audio. On utilise le terme de « phasing » pour désigner cette alternance d’atténuations/amplifications des différentes fréquences, variant au fil du temps.

Une fenêtre temporelle critique pour le filtrage en peigne

La forme et l’intensité de l'effet du filtre en peigne dépendent de la durée entre le son original et le son retardé. Dans le cas d'un son direct et de sa réflexion sur une paroi, si la réflexion la plus forte se produit moins de 2 ms après le son original, le filtrage en peigne éventuel n'est pas très gênant, car seules les fréquences élevées sont affectées dans une fenêtre temporelle aussi courte. Lorsque le temps de retard/réflexion approche 10 ms, les annulations et les amplifications du filtre en peigne se déplacent vers les fréquences fondamentales des sons, et l'effet du filtre en peigne devient plus problématique car plus facilement audible.

Si les premières réflexions arrivent après 35 ms, l'oreille humaine parvient à séparer les deux événements sonores (le son direct et sa réflexion). L'effet du filtre en peigne devient plus faible et finit par disparaître complètement lorsque le retard entre les deux événements sonores augmente suffisamment.

Les réflexions sonores ne sont pas les seuls phénomènes du monde réel susceptibles de provoquer un filtrage en peigne. Utiliser plusieurs enceintes ou plusieurs microphones peut également entraîner un effet de filtrage en peigne. Examinons plus en détail ces trois situations et regardons comment éviter un filtrage en peigne problématique.

Filtrage en peigne causé par les réflexions sonores

Dès qu'un son est généré, il se propage depuis la source et rebondit sur les surfaces dures à proximité. Par exemple, lors de la prise de son ou de l'enregistrement d'une caisse claire, quand le batteur frappe la peau de la caisse claire, le son émis se propage jusqu'au microphone, mais aussi jusqu’aux murs avoisinants dans la salle. Les réflexions sonores peuvent aussi provenir, évidemment, des plateaux de table, des sols et des plafonds, ainsi que des éléments de mobilier, des fenêtres, etc.

Comme les sons réfléchis ont parcouru une plus grande distance que les sons directs, ils arrivent plus tard à nos oreilles ou à un microphone. Les deux signaux sont identiques, mais l'un d'eux est retardé de quelques millisecondes, ce qui provoque un filtrage en peigne : certaines fréquences sont atténuées, d'autres accentuées.

Afin d'éviter un filtrage en peigne consécutif à des réflexions sonores, voici quelques conseils. Tout d'abord, l'énergie des ondes sonores diminue rapidement avec la distance : essayez de tirer profit de ce phénomène en plaçant les microphones aussi près que possible de la source. De cette façon, le niveau du son direct sera nettement plus fort que celui des sons réfléchis.

L'autre méthode efficace consiste à se concentrer sur l'absorption des réflexions précoces (premières réflexions) qui atteignent l'auditeur ou le microphone. Par ailleurs, diffuser les premières réflexions en les dispersant dans de nombreuses directions atténuera nettement la quantité d'énergie revenant vers l'auditeur ou le microphone. Il existe de nombreuses façons de diffuser et d'absorber les réflexions, que nous ne détaillerons pas dans cet article.

Filtrage en peigne à cause d’enceintes multiples

Chaque fois qu'un signal identique est envoyé à plusieurs enceintes, il y a une probabilité qu’un filtrage en peigne se produise. Pour une écoute stéréophonique, les enceintes gauche et droite sont placées à distance égale l'une de l'autre. Les deux sons directs atteindront la position d'écoute et vos oreilles en même temps, avec toutes les fréquences parfaitement en phase. Il n'y aura pas de filtrage en peigne.

Cependant, dans tout environnement non idéal où l'écoute ne se fait pas précisément à la position d'écoute définie, un filtrage en peigne se produira car l'auditeur est assis plus près d'une enceinte que de l'autre, ce qui provoque l'annulation de certaines fréquences et l’addition d'autres.

La question de la stéréo évoquée ci-dessus se pose également dans les applications de sonorisation live, notamment le problème de l'alignement temporel des enceintes dans les lieux où le public est réparti sur une grande surface. Dans ces applications, plusieurs systèmes d’enceintes sont nécessaires. Des enceintes supplémentaires situées sous les balcons viennent souvent compléter l’array d’enceintes principal. Si le système n'est pas correctement configuré, le son provenant de l’array d’enceintes principal atteindra l’enceinte du balcon avec un retard, ce qui provoquera un filtrage en peigne.

Voici quelques conseils pour atténuer ce phénomène. Pour les applications de sonorisation live dans les grandes salles, les techniciens du son tentent de synchroniser l’émission sonore de toutes les enceintes, en utilisant des valeurs de retard différentes pour chaque enceinte d’un système line array (ex : Série KLA ou WideLine de QSC). C'est une solution efficace, même si l'alignement temporel entre les enceintes ne peut être optimisé que pour un seul point. Se tenir hors de l'axe des systèmes d'enceintes line array situés à gauche et à droite constituera, dans tous les cas, un certain compromis. S’il y a plusieurs sources sonores, il y aura toujours de légers problèmes de filtrage en peigne.

Si le but est de couvrir une grande surface à l'aide d’enceintes de type source ponctuelle (ex : Série CP, K.2 ou KW de QSC), veillez d'abord à sélectionner des modèles dont la directivité est très contrôlée. En plaçant chaque enceinte de manière à ce que leurs couvertures se chevauchent le moins possible, on s'assure qu'il n'y a presque pas de filtrage en peigne.

A titre d'exemple, utilisons deux enceintes KW152, dont la couverture nominale est de 60 degrés et dont les parois latérales des boîtiers sont à 18 degrés. Si les deux boîtiers sont placés côte à côte, l'angle formé par les axes des enceintes sera de 36 degrés et le chevauchement de l'énergie créera de graves interférences de filtrage en peigne dans la zone d'écoute. L'utilisation d'un écartement plus large de 60 degrés entre les axes des enceintes assure un chevauchement minimal et élargit l'angle d’ouverture total à 120 degrés.

Filtrage en peigne à cause de multiples microphones

Les techniques de prise de son stéréo (couple AB ou XY) produisent des enregistrements d’un grand réalisme. Elles permettent de créer une large image stéréo, donnant une sensation d’immersion sonore. Cependant, lorsqu'un son emprunte plusieurs chemins vers un microphone, le retard causé par les chemins plus longs fait que certaines fréquences s'annulent et que d'autres s'additionnent. Dans notre exemple précédent, sur la batterie, plusieurs microphones sont situés à différentes positions dans l'espace. Cela signifie que le son d'un fût donné arrivera à chaque microphone à des moments légèrement différents, d’où des effets de filtre en peigne.

Une conférence où plusieurs microphones sont ouverts simultanément est un autre exemple. Même si chaque participant dispose de son propre microphone, la voix d’un participant sera captée par les microphones de ses voisins, puis tous les signaux seront mélangés, ce qui provoque un filtrage en peigne.

Il existe quelques méthodes pour réduire le filtrage en peigne causé par de multiples microphones. La règle des « 3 pour 1 » stipule que si un microphone se trouve, par exemple, à 1 m d'une source sonore, il doit y avoir au moins 3 m entre tous les autres microphones à proximité.

S’il est impossible d’éloigner les microphones pour réduire le niveau de diaphonie entre eux, l'utilisation de l'automatisation du gain (ou Automix comme dans la table de mixage numérique TouchMix-30 Pro de QSC) permettra d'augmenter le niveau lorsque quelqu'un parle dans un microphone spécifique et de le diminuer lorsque ce microphone n'est pas utilisé. Cela réduira considérablement l'effet de filtrage en peigne quand plusieurs microphones sont employés. Toutefois, cette astuce sera inefficace si deux microphones, ou plus, sont ouverts et utilisés simultanément.

Conclusion

Des effets indésirables de filtre en peigne peuvent être générés par des réflexions sonores ou l'utilisation de plusieurs enceintes ou microphones. Les sons reproduits et altérés vont paraître métalliques, manquer de naturel, et les voix pourront sembler dures et agressives. Lorsque le filtrage en peigne se produit, une partie importante des fréquences fondamentales du son d'origine est manquante. Comme nos oreilles et notre cerveau utilisent tout le contenu harmonique d'un son et ses caractéristiques tonales spécifiques pour recréer le caractère unique de chaque son, si les fréquences fondamentales sont absentes, le son reproduit, ou enregistré, ne sera plus fidèle à l'original.

En appliquant quelques conseils et techniques simples, on peut facilement minimiser les effets de filtrage en peigne dans de nombreux types d'applications de sonorisation live et d'enregistrement. Bonne écoute !