Spatialisation sonore - Perception, captation et diffusion de scènes sonores

En acoustique et en musique, on caractérise généralement les sons selon leurs propriétés de durée, hauteur, timbre et intensité. Outre ces attributs, les sons s’organisent également dans l’espace. La spatialisation est l’étude du son dans sa dimension spatiale. Plus précisément, la spatialisation sonore s’intéresse à l’analyse, à la synthèse et à la transformation des propriétés du son qui contribuent à l’impression d’espace et à la sensation d’immersion. Ce champ d’études s’appuie sur des recherches fondamentales et des avancées technologiques issues de plusieurs disciplines scientifiques : acoustique, traitement du signal, informatique, psychoacoustique et cognition. La spatialisation sonore, parfois appelée « audio 3D », « audio spatial », « son multicanal », ou encore « acoustique virtuelle », est un domaine de recherche en plein essor et qui trouve des applications, industrielles ou grand public, dans de nombreux secteurs : production audiovisuelle (musique, cinéma, radio, vidéo 360°), spectacle vivant (sonorisation), jeux vidéo, réalité virtuelle, installations sonores, simulations acoustiques, etc. Par exemple, en mixage de musique, la spatialisation est utilisée pour répartir dans l’espace les différents instruments afin de favoriser leur intelligibilité et la clarté de la scène sonore. Dans les environnements virtuels (jeux vidéo, réalité virtuelle), elle permet de simuler des sources sonores dans l’espace autour de l’auditeur et elle participe à la sensation d’immersion.

Selon les domaines d’application et les cas d’usage, l’objectif de la spatialisation sonore est tantôt de capter et restituer des scènes sonores ou des espaces acoustiques existants, tantôt de créer virtuellement des expériences auditives avec une dimension sonore immersive. Pour ce faire, les procédés mis en œuvre exploitent des réseaux de transducteurs électroacoustiques (enceintes, casque, microphones) et des algorithmes de traitement du signal audio, et ils visent à produire soit un rendu réaliste (« objectivement précis »), soit une illusion plus artistique (« perceptivement plausible »).

Les systèmes de diffusion sonore spatiale cherchent, d’une part, à simuler des indices de localisation spatiale pour des sources sonores virtuelles arbitrairement placées dans l’espace et, d’autre part, à produire des effets de réverbération artificielle qui contribuent à la création d’un espace sonore immersif. Les techniques disponibles peuvent être classées en trois grandes familles : des approches dites « perceptives » qui reposent sur des modèles de l’audition humaine pour créer l’illusion d’un phénomène acoustique (positionnement d’une source « fantôme » dans l’espace 3D, ou effet de réverbération qui paraît « naturelle »), des approches par échantillonnage qui consistent à mesurer un champ acoustique en un ensemble discret de positions puis à le restituer par des techniques de convolution, des approches par modèles physiques qui visent à synthétiser, dans une certaine zone de l’espace, un champ acoustique précisément maîtrisé et conforme aux lois de propagation des ondes. Chacune de ces approches présente des avantages et des inconvénients, en termes de complexité, de coût (de calcul ou d’équipements), de précision, de nombre d’auditeurs, etc. C’est pourquoi il est fréquent, en pratique, d’utiliser des techniques hybrides qui combinent plusieurs approches.

Après quelques rappels des principaux mécanismes psychoacoustiques participant à la perception de l’espace sonore, cet article propose un panorama des techniques de synthèse de sources spatialisées et de prise de son multicanal [BR 1 150] ; la réverbération artificielle sera traitée dans l’article [BR 1 152].