LIVRE BLANC Son cinéma : les nouvelles technologies permettent de se conformer aux normes établies par le DCI pour le son
Introduction Depuis l introduction des normes DCI (Digital Cinema Initiative 1 ) en 2002, les cinéphiles bénéficient d une qualité d image inégalée dans les salles de cinéma. Grâce à des innovations telles que la projection HFR, numérique 4K et 3D, ainsi que des écrans plus grands et des salles plus vastes, les réalisateurs ont pu profiter des améliorations apportées aux technologies de projection pour repousser les limites de la créativité et de l expression cinématographiques. Toutefois, malgré les progrès réalisés, le son cinéma est encore loin de profiter du potentiel des normes audio établies par le DCI. Les systèmes audio d ancienne génération, qui reposent sur des technologies remontant à l époque du cinéma argentique, sont encore couramment utilisés dans les salles d aujourd hui, mais ne sont pas en mesure de reproduire fidèlement les nouveaux formats audio numériques immersifs. Les exploitants ont donc l opportunité d équiper leurs salles de systèmes audio avancés qui amélioreront considérablement l expérience acoustique du public. 1 re partie : systèmes audio existants Les systèmes audio des salles de cinéma sont généralement répartis en deux catégories : la chaîne A et la chaîne B. La chaîne A désigne la partie du système qui contient la «bande son», imprimée sur le film ou un support externe, et les équipements nécessaires pour la lecture, ainsi que le décodage, la réégalisation, la correction (préaccentuationdésaccentuation) et la synchronisation. Aujourd hui, pour la chaîne B 2, une salle de cinéma classique est équipée de systèmes qui reposent sur des technologies développées à l époque des films 35 mm. La figure 1 montre le schéma fonctionnel d un système audio complet pour la projection d un film analogique. La chaîne B de ces installations désigne le filtre passif, la post-égalisation, les amplificateurs de puissance et les haut-parleurs. Ces systèmes sont généralement équipés d enceintes deux, trois, voire quatre voies pour l écran. Ces enceintes intègrent des haut-parleurs à compression et à pavillon pour les hautes fréquences et des haut-parleurs coniques à rayonnement direct ou à pavillon pour les fréquences plus basses. Les enceintes d ambiance sont généralement des systèmes à deux voies qui utilisent des transducteurs similaires à ceux des haut-parleurs d écran. Les enceintes sont reliées à des amplificateurs de puissance à transistors de classe AB, la plupart fonctionnant sur une alimentation linéaire. Figure 1 - Chaîne complète de reproduction du son dans une salle de projection analogique Chaîne A Chaîne B Transducteur photographique analogique Préamplificateur optique Circuit de désaccentuation ou décodeur de réduction du bruit Décodeur matriciel Lecteur photographique numérique Décodeur numérique Tête magnétique Préamplificateur magnétique Circuit de désaccentuation ou décodeur de réduction du bruit Sélecteur de source Égalisation en salle et équilibreur Répartiteur actif Supports externes synchronisés Amplificateur(s) de puissance Répartiteur passif Non synchronisés Enceintes Acoustique d'auditorium Écran 1
Figure 2 - Chaîne complète de reproduction du son dans une salle de cinéma numérique Chaîne A Lecture de fichier audio numérique Sélecteur de source Chaîne B Égalisation en salle et équilibreur Répartiteur actif SON CINÉMA Non synchronisée Amplificateur(s) de puissance Répartiteur passif Haut-parleurs Acoustique d'auditorium Écran Formats audio existants Les normes établies par le DCI pour le son La qualité globale des premiers formats audio numériques, tels que Dolby Digital 3, DTS (aujourd hui Datasat Digital Sound 4 ) et Sony Dynamic Digital Sound (SDDS 5 ), était limitée par la bande passante disponible du support, la pellicule. Celle-ci nécessitait l utilisation de la compression audio numérique avec une résolution efficace maximale comprise entre 16 et 18 bits par échantillon à une fréquence d échantillonnage comprise entre 44,1 khz et 48 khz. La dynamique maximale théorique d un signal audio d une profondeur de 16 bits est de 96 db, tandis que celle d un signal audio d une profondeur de 18 bits est de 108 db. La dynamique des formats audio numériques, supérieure à celle des pistes optiques des films 35 mm, même avec la technologie de réduction du bruit Dolby, a imposé de nouvelles exigences vis-àvis des systèmes audio pour le cinéma. Pour certains d entre eux, les exigences du contenu DCI étaient, et parfois le sont encore, à la limite de leurs capacités quand elles ne les dépassent pas. Créé en 2002, le DCI est une joint-venture formée par Disney, Fox, Paramount, Sony Pictures Entertainment, Universal et Warner Bros. Les normes établies par le DCI pour le son en 2005 permettent de bénéficier des formats audio numériques PCM 6 linéaires non compressés d une résolution maximale de 24 bits par échantillon et pouvant atteindre une fréquence d échantillonnage de 96 khz. La dynamique théorique d un signal audio d une profondeur de 24 bits étant de 144 db, les exigences vis-à-vis des systèmes existants sont bien supérieures à celles des premiers formats audio numériques. La partie audio d un film est intégrée avec les images, les sous-titres et les métadonnées dans un DCP (Digital Cinema Package) conforme aux directives énoncées par le DCI. Normes établies par le DCI pour le son 20 ou 24 bits par échantillon, fréquence d échantillonnage de 48 khz ou 96 khz Jusqu à 16 canaux à bande passante intégrale Conteneur WAV, son PCM non compressé Ces normes DCI ont été élaborées pour que les exploitants de salles disposent d un DCP commun qui inclut un format audio permettant d assurer une reproduction plus fidèle du son. Comme le montre la figure 2, dans de nombreuses salles équipées d un système de projection numérique, seule la partie relevant de la chaîne A a été mise à jour. Les équipements formant la chaîne B sont identiques à ceux utilisés avant le passage à la projection numérique. 1 http://www.dcimovies.com/ 2 La chaîne B englobe tous les systèmes entre la sortie du processeur audio et les haut-parleurs, à savoir, les amplificateurs, les processeurs de signaux et le câblage. 3 http://www.dolby.com/us/en/consumer/technology/home-theater/dolby-digital.html 4 http://www.datasatdigital.com/cinema/ 5 https://en.wikipedia.org/wiki/sony_dynamic_digital_sound 6 https://en.wikipedia.org/wiki/pulse-code_modulation 2
Opportunité d amélioration : six problèmes de performance courants avec les systèmes audio d ancienne génération Aujourd hui, de nombreuses salles de cinéma ne sont pas en mesure de profiter du potentiel du son non compressé tel que recommandé par le DCI, car elles sont équipées de technologies audio d ancienne génération. Les six problèmes de performance courants avec les systèmes audio d ancienne génération classiques sont les suivants : 1 Compression de puissance dans les moteurs de haut-parleur Malgré les améliorations apportées aux moteurs magnétiques, les bobines acoustiques des haut-parleurs à compression et des haut-parleurs de graves sont enfermées dans une structure magnétique étroite. Même si leur conception a été améliorée, la température de fonctionnement de ces bobines peut atteindre 200 C (392 F). À mesure que la température augmente, l impédance de la bobine acoustique augmente également. Le moteur tire alors moins de puissance et le niveau sonore diminue. Schéma de dispersion des haut-parleurs 2 Contrôle de directivité (haut-parleurs) De nombreuses enceintes de cinéma d ancienne génération sont pourvues de pavillons fixés aux haut-parleurs à compression pour la diffusion du son. Pour contrôler la directivité, ces pavillons peuvent employer différentes méthodes, mais quelle que soit la méthode choisie, ils sont limités dans les basses fréquences par les dimensions de l ouverture. En outre, la directivité aux fréquences supérieures peut différer de celle aux fréquences moyennes de la bande passante du système. Dans un système à trois voies, la directivité peut différer à la fréquence de recouvrement entre les basses et les moyennes fréquences ainsi qu entre les moyennes et hautes fréquences, ce qui se traduit par une couverture irrégulière. Un système à deux voies présente une discordance de directivité similaire entre les haut-parleurs, même si elle n est que ponctuelle. Fonctionnement des haut-parleurs 3 Distorsion Les haut-parleurs à compression pourvus d un pavillon présentent un niveau sonore très élevé au niveau de la membrane, qui part généralement d environ 120 db et peut atteindre, voire dépasser, 154 db. À de tels niveaux, même si le moteur magnétique, la fiche de phase et la membrane sont parfaits, la propagation du son dans l air (au niveau de la membrane, dans la fiche de phase et dans la gorge) n est pas du tout linéaire en raison du niveau sonore élevé. En conséquence, la propagation du son proprement dite produit de la distorsion avant que le son entre dans le pavillon. Cette distorsion augmente proportionnellement à la distance de propagation. Les membranes plus grandes, les taux de compression plus bas et les autres compromis en vue d atténuer ces phénomènes de distorsion ont leurs propres problèmes. Par exemple, les grandes membranes risquent de provoquer davantage de perturbations et la puissance de sortie est plus faible en raison de taux de compression plus bas. Haut-parleur à compression et pavillon acoustique Propagation sphérique Cylindrical propagation Compression driver and horn (point source) Dispersion Le son produit pattern par of un a typical haut-parleur compression à driver compression is spherical, se caractérise sending sound par bouncing une propagation off sphérique. the ceiling En and conséquence, walls for reduced les ondes clarity rebondissent sur les plafonds et les murs, et dégradent globalement la clarté du son. Christie ribbon driver (line source) Christie Malgré ribbon les améliorations driver dispersion apportées pattern à leur Christie conception cylindrical, ribbon resulting driver et à leurs in a composants, more focused les linear haut-parleurs sound with à full compression clarity et les pavillons + présentent des problèmes de performance tels que la compression de puissance, la distorsion et l absence de linéarité. En outre, il existe une interaction nuisible entre les haut-parleurs pourvus d un pavillon et les écrans perforés, ce qui augmente la distorsion et la non-linéarité. 3
4 Non-linéarités Les haut-parleurs à cône utilisés pour les fréquences moyennes et les hautparleurs à compression généralement utilisés pour les hautes fréquences génèrent des non-linéarités, c est-àdire de sons parasites/imperfections dus aux perturbations du cône ou de la membrane du haut-parleur à compression. Ces non-linéarités sont plus importantes aux fréquences moyennes et empirent à mesure que la puissance sonore augmente. À cela s ajoute le bruit des autres parties mobiles du haut-parleur, telles que la suspension, et de l anneau de centrage des haut-parleurs coniques, ainsi que les non-linéarités inhérentes au moteur magnétique. Tout cela limite la dynamique du haut-parleur et le problème empire à mesure que le volume de sortie augmente. Les non-linéarités dégradent le confort d écoute, en particulier la dynamique, le rapport signal sur bruit, la marge de sécurité et la réponse transitoire. La dynamique désigne l écart entre le niveau sonore le plus élevé du système audio et le niveau le plus bas. Elle est limitée par la distorsion aux niveaux sonores élevés et, à l autre extrême, par le bruit généré par le haut-parleur lié, entre autres, à la matière de la membrane ou du cône, aux fils de sortie et au balancement de la bobine acoustique. La dynamique est limitée lorsque le rapport signal sur bruit entre le niveau de signal et le bruit moyens est limité. Cela se répercute également sur la marge de sécurité, qui désigne l écart entre le niveau de sortie en crête (limite supérieure de la dynamique) et le niveau moyen du signal. La réponse transitoire désigne l aptitude d un équipement à suivre les changements rapides de niveau sonore, tels que ceux liés à un effet spécial. Elle dépend de la puissance du moteur du hautparleur, de la masse des pièces mobiles et de la conception de la bobine acoustique. Les cônes et les membranes ont une certaine masse, qui nécessite de l énergie pour les mettre en mouvement. Une fois en mouvement, la masse des pièces mobiles a une certaine quantité de mouvement, ce qui limite la réponse du haut-parleur aux fréquences élevées, car la durée nécessaire pour modifier le mouvement des pièces mobiles du haut-parleur augmente proportionnellement à la masse. 5 Effets d écran Dans la plupart des salles de cinéma, les haut-parleurs d écran sont installés derrière un écran perforé. Même avec une toile microperforée, l écran n est pas entièrement perméable au son. L atténuation du son par l écran commence aux fréquences graves supérieures et s accroît à mesure que les fréquences augmentent. En outre, la distance entre les haut-parleurs de médiums et d aigus et l écran peut également avoir des effets indésirables. La distance entre l écran et le hautparleur entraîne un effet d écho entre les deux, qui produit des interférences constructives et destructives. 6 Efficacité de l amplificateur Chaque haut-parleur d un système d enceintes de cinéma à deux, trois ou quatre amplificateurs requiert un amplificateur de puissance dédié. De nombreuses salles de cinéma sont équipées d amplificateurs de puissance d ancienne génération de classe AB, présentant une réponse transitoire et un rendement énergétique médiocres. Une réponse transitoire médiocre signifie que les amplificateurs réagissent lentement aux changements rapides des signaux entrants. Une efficacité énergétique, ou efficacité de conversion, médiocre signifie que la plus grande partie de la puissance entrante est gaspillée sous forme de chaleur au lieu d être transmise. Cela n est pas nécessairement coûteux en termes de consommation électrique, mais le dégagement de chaleur peut impliquer d autres coûts, car il nécessite l installation d un système CVC plus puissant et de gaines plus larges, ainsi que des coûts d exploitation plus élevés. 4
2 e partie : exploiter le potentiel Principaux critères de performance des systèmes audio pour le cinéma et avantages des enceintes à ruban Un système intégré mettant en œuvre des solutions et des technologies de nouvelle génération permet de libérer le potentiel des formats audio recommandés par le DCI. Pour ce faire, chaque maillon de la chaîne du signal est à prendre en considération, des sources de contenu aux haut-parleurs et caissons de basse, en passant par le processeur audio et l amplificateur. Un système audio intégré pour le cinéma doit présenter les caractéristiques suivantes : 1 Sources de contenu Stockage : pour la chaîne B, l IMB (Media Block intégré) ou le serveur de cinéma (qui décode le contenu DCP) fournit un fichier audio non compressé au format PCM linéaire conforme aux recommandations DCI, d une résolution maximale de 24 bits et pouvant atteindre une fréquence d échantillonnage de 96 khz pour les 16 canaux du DCP. L IMB est placé à la fin de la chaîne A et au début de la chaîne B. Sources de contenu alternatif : il s agit, entre autres, des nouveaux formats audio sans perte tels que Dolby TrueHD 7, DTS HD-Master Audio 8 et d autres formats PCM linéaires. Le son provenant de ces sources peut atteindre une profondeur de 24 bits et un taux d échantillonnage de 192 khz. Le nombre de canaux varie selon la source et le contenu. 2 Traitement audio Le signal audio DCP est une trame multicanal encodée dans un ou plusieurs des formats d encodage audio disponibles aujourd hui. Le DCP utilise le format MXF (Material Exchange Format) 9 pour le conditionnement de la piste audio PCM, qui peut être une version compressée de la piste audio d origine. Les besoins en matière de traitement des signaux audio PCM sont les suivants : Prise en charge de 1 à 16 canaux audio DCI en entrée Capacité à décoder les formats audio sans perte du contenu alternatif Conversion numérique-analogique des signaux 24 bits par échantillon Rapport signal sur bruit élevé Dynamique élevée Linéarité de phase 3 Amplificateurs Les amplificateurs de classe D 10 offrent des avantages tels qu une réponse transitoire plus rapide, ainsi qu une puissance de sortie et un rendement élevés par rapport aux systèmes de classe AB et autres systèmes actuellement utilisés dans de nombreuses salles. Réponse transitoire plus rapide : une réponse transitoire plus rapide réduit la distorsion et reproduit la source plus fidèlement, sans la «fragilité» des amplificateurs présentant une réponse transitoire plus lente. Puissance de sortie élevée : un amplificateur de classe D de petite taille permet d obtenir une puissance de sortie supérieure à celle d un modèle analogique plus encombrant. Rendement supérieur : par rapport aux amplificateurs de classe AB et autres amplificateurs à transistors qui affichent un rendement moyen de 50 %, un amplificateur de puissance de classe D a un rendement de presque 90 %. Un rendement supérieur signifie qu une plus grande partie de la puissance d entrée est transmise aux enceintes et qu une partie moins importante est gaspillée par le dégagement de chaleur, ce qui réduit directement la consommation électrique et les coûts d exploitation. En outre, une accumulation de chaleur moindre contribue à réduire indirectement la consommation d énergie et à faire plus d économies par la réduction de la charge du système de climatisation. 4 Enceintes Les enceintes de cinéma intègrent généralement des haut-parleurs à compression ; toutefois, il est aujourd hui reconnu que les systèmes Line Array et que la technologie des enceintes à ruban offrent des performances audio supérieures dans les salles de cinéma. Un haut-parleur à ruban est doté d une membrane flexible de faible masse sur laquelle est montée ou imprimée une bobine acoustique. La bobine acoustique est disposée à plat et interagit avec le champ magnétique des aimants placés de chaque côté du diaphragme planaire. Les haut-parleurs à ruban sont plus performants que les haut-parleurs à compression, à pavillon et coniques. Compression de puissance minime : la compression de puissance des hautparleurs à ruban est inférieure à celle des haut-parleurs à compression et coniques, dans lesquels la bobine acoustique est confinée et la circulation de l air est limitée. La structure est ouverte sur une membrane et, bien que l air ne soit pas un bon conducteur de chaleur, la surface ouverte plus importante pour les conducteurs que celle des haut-parleurs à compression et coniques assure un meilleur transfert de la chaleur entre la membrane et l environnement. Les températures de fonctionnement sont ainsi plus basses pour un niveau sonore donné. 7 http://www.dolby.com/us/en/consumer/technology/home-theater/dolby-truehd.html 8 http://www.dts.com/professionals/sound-technologies/codecs/dts-hd-master-audio.aspx 9 http://www.digitalpreservation.gov/formats/fdd/fdd000013.shtml 10 http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1071.pdf 5
Moins de distorsion : à la différence des hautparleurs à compression, les haut-parleurs à ruban ne provoquent pas de perturbation dans les hautes fréquences, notamment en raison de la masse inférieure de la membrane qui représente en moyenne 1/30 de celle d un haut-parleur à compression. La bobine acoustique étant en contact avec le diaphragme planaire, l énergie motrice couvre un large pourcentage de sa surface plane, ce qui réduit encore la distorsion due aux perturbations du diaphragme et à d autres problèmes rencontrés avec les haut-parleurs à compression, où la bobine acoustique est placée sur le périmètre du diaphragme. Réponse transitoire plus rapide : étant donné que la membrane d un haut-parleur à ruban a une masse inférieure à celle d un haut-parleur à compression, sa vitesse totale d accélération/décélération peut être plus élevée, ce qui améliore la réponse transitoire. Cette technologie est idéale pour le contenu cinématographique numérique présentant un facteur de crête élevé. Dynamique étendue : la réponse transitoire plus rapide d un haut-parleur à ruban du fait de sa faible masse et de son entraînement direct étend la dynamique de 10 à 12 db par rapport à un haut-parleur à compression. Sur celui-ci, la vitesse de la membrane doit être surmontée deux fois : pour l accélération de la membrane et de nouveau pour le changement de direction. Réponse en haute fréquence étendue : les haut-parleurs à ruban offrent une réponse en haute fréquence supérieure à celle des haut-parleurs à compression du fait de l entraînement direct de la bobine acoustique plate fixée directement au diaphragme planaire. Les haut-parleurs à compression subissent des pertes, car les vibrations doivent d abord aller jusqu à la bobine acoustique, puis traverser le joint entre celle-ci et la membrane. Ensuite, il se produit une interférence pendant le va et vient du son au travers de la membrane. En outre, la bobine acoustique utilisée sur les haut-parleurs à compression est une bobine d induction. De ce fait, les pertes augmentent à mesure que la fréquence augmente. Sur un haut-parleur à ruban, l inductance des conducteurs planaires est beaucoup plus faible. 5 Enceintes Line Array à ruban En raison de leurs caractéristiques de propagation cylindrique, les hautparleurs à ruban sont parfaits pour les systèmes Line Array, qui permettent un alignement vertical continu et précis. Un alignement de haut-parleurs à ruban en forme de colonne offre des avantages par rapport aux haut-parleurs à compression et aux modèles coniques. La plupart des systèmes pourvus d un pavillon se caractérisent par une dispersion horizontale et verticale inégale. La couverture est donc inégale à la périphérie de la zone d écoute et le niveau sonore entre le devant et le fond de la salle est différent. Un système Line Array équipé de hautparleurs à ruban et de petits haut-parleurs coniques assure une directivité très contrôlée et une couverture extrêmement homogène. Plus la colonne est longue, plus la couverture verticale dans la partie inférieure de la bande passante est étroite. En courbant le système Line Array et en faisant varier le signal de chaque haut-parleur, la dispersion de la colonne est mieux adaptée à la zone d écoute et sa couverture est optimisée et plus homogène. En théorie, un système Line Array bénéficie d une atténuation de 3 db par unité de distance par rapport à un système à source ponctuelle, où l atténuation est de 6 db par unité de distance. En conséquence, un système Line Array équipé de haut-parleurs à ruban peut présenter une variation des niveaux sonores de seulement ± 2 db sur l ensemble de la zone d écoute d un auditorium standard. 6 Caissons de basse En reproduisant les basses fréquences des pistes audio des films, les caissons de basse produisent un effet saisissant. Les caissons de basse hautes performances présentent les caractéristiques suivantes : puissance admissible élevée, compression de puissance réduite et coffrets à coefficient de déplacement cubique élevé pour une réponse en basse fréquence étendue. L utilisation de caissons de basse pour élargir la bande passante des hautparleurs d écran et même des enceintes d ambiance permet la reproduction du contenu basse fréquence des pistes audio qui, autrement, serait perdu. La nouvelle ère : Harmoniser le son avec l image Les technologies de projection cinématographique ont considérablement amélioré l expérience visuelle ces dernières années. Cependant, les acteurs du marché tardent à mettre en œuvre des systèmes audio tirant parti du potentiel des normes établies par le DCI pour le son. Le public étant aujourd hui habitué à des images impressionnantes, il s attend également à bénéficier d un son immersif. Le tout étant souvent supérieur à la somme des parties, les exploitants qui souhaitent profiter du potentiel du son cinéma recommandé par le DCI doivent déployer un système entièrement intégré. Les solutions reposant sur la technologie des enceintes à ruban, les systèmes Line Array, les caissons de basse hautes performances et les amplificateurs de classe D leur permettront de tirer parti de l énorme potentiel de la norme audio DCI. En offrant une expérience audio de qualité supérieure, ils raviront les cinéphiles et se distingueront de la concurrence. 6
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