Quelle puissance pour un ampli audio ?


Le choix d'un amplificateur se fait sur de nombreux critères, parfois subjectifs.
Un critère incontournable est que l'ampli doit avoir la puissance nécessaire pour délivrer le niveau sonore souhaité au point découte, sur ses enceintes, dans son local.
Mais quelle est la puissance réellement nécessaire pour y parvenir ?

On voit certaines personnes utiliser un ampli 2x100W sur des enceintes haut-rendement dans un salon. Est ce bien raisonnable ?
A première vue, c'est une hérésie !

L'explication donnée est souvent : "c'est pour passer toute la dynamique de la musique!".
Il y a de l'idée, mais ce n'est pas tout a fait cela.

Pour ceux qui ont déjà lu cette page, accès direct au calculateur en ligne.

Dynamique ? ... plutôt Crest-Factor

La dynamique d'un morceau c'est la différence entre le niveau le plus élevé et le plus faible. La dynamique est un ratio, exprimée en dB.
- Le niveau le plus élevé d'un morceau est le niveau crête maximum. En digital c'est souvent 0dBFS.
- Le niveau le plus faible est le silence. Cad le niveau de bruit dans la pièce d'écoute.

La dynamique d'un morceau impose au système d'écoute un ratio entre niveau max et min.
Pour l'ampli, c'est un niveau de rapport signal sur bruit. Cela n'impose rien sur sa puissance. La plupart des amplis modernes ont un rapport S/B supérieur à 95dB, cad supérieur à la dynamique max sur un CD. Ce n'est plus un critère de choix discriminant.

Si ce n'est pas la dynamique de la musique qui permet de déterminer la puissance minimale de l'ampli, c'est quoi ?
C'est une notion méconnue, le Crest Factor (CF) de la musique. En français Facteur de Crête.

Le Crest Factor , lui aussi exprimé en dB, est le ratio entre la valeur crête (en anglais peak) et la valeur efficace (en anglais rms) d'un signal.

CF = 20*log(Upeak/Urms)

La Valeur Efficace d'un signal détermine sa Puissance Moyenne dans une impédance donnée. On utilise l'unité Watts RMS pour la puissance moyenne, ce qui est un abus de langage mais facilite la compréhension.

Pmoy = Urms^2/Z en Wrms


La Puissance Moyenne d'un signal est une notion importante. La perception par l'oreille du niveau sonore d'un signal envoyé dans un HP est liée à la puissance moyenne du signal, pas aux crêtes.

Le niveau sonore est exprimé en dB SPL (Sound Pressure Level). Les sonomètres mesurent le niveau sonore moyen. Pour moi, c'est la mesure avec pondération C et intégration lente, qui est la plus représentative du niveau sonore perçu par l'oreille. Pondération A est adapté pour la voix humaine. La Pondération A atténue lors de la mesure l'influence des fréquences en dessous de 500Hz ce qui, pour de la musique, fait une grosse différence.

Exemple de signaux avec la même valeur crête et leur valeur efficace :

Une sinusoide a un CF de 3 (ratio Upeak/Urms=1,414).
Un signal carré a un CF de 0 : valeur efficace = valeur crête.
Pour la musique, cela varie d'un titre à l'autre.

La musique très compressée aura peu de différence entre la valeur crête et la valeur efficace, càd un CF faible.
Au contraire, une musique vivante non compressée aura un CF élevé.
On comprend que, pour une même valeur crête, une musique très crompressée (CF faible) paraitra plus forte car la valeur efficace sera plus élevée et donc la puissance moyenne plus élevée.

Par exemple, si on règle le volume à un niveau qui nous convient sur un morceau CF=15 et qu'on enchaine avec un titre compressé à CF=9, le deuxième paraîtra bien plus fort. Il faudra baisser le volume de 6dB pour que la sensation de niveau sonore redevienne équivalente.
C'est tout l'enjeu de la loudness war ! (voir l'encart plus bas).

La même chose dit autremment :

Ces trois signaux ont la même valeur efficace, donc la même puissance moyenne. Pourtant, leur valeurs crête sont très différentes!
Pour un sinus, il y a facteur 1,414 entre sa valeur efficace et sa valeur crête. Pour un signal de CF=12, ce facteur est de 4.
(L'image du signal de CF=12 est un extrait d'un morceau de musique analysé par Audacity.)

On notera que le CF est indépendant du volume. C'est un ratio. En montant/baissant le volume, le ratio ne change pas.

Résumons :

- L'oreille perçoit le niveau sonore sur une "moyenne". Un sonomètre peut le mesurer.
- Le niveau sonore perçu est déterminé par la Puissance Moyenne du signal, pas par les crêtes.
- La Puissance Moyenne est liée à la Valeur Efficace du signal.
- Le Crest-Factor est le ratio entre amplitude max (crête) et Valeur Efficace. Ratio exprimé en dB.


Prenons un exemple pour illustrer

Imaginons une enceinte 8ohm de sensibilité 90dB/1m.
On souhaite un niveau sonore moyen à 1m de 94,5 dB SPL (ce qui correspond à un niveau d'écoute d'environ 85dB SPL à 3m.)

Calcul de la puissance moyenne nécessaire pour atteindre ce niveau sonore : Pm = 10^((94,5-90)/10) = 2,8Wrms.
Comme Pm = Ueff^2/Z, on déduit que dans 8 ohms, 2.8Wrms correspond à Ueff = 4.8Vrms.

C'est là que le CF intervient.

Pour une même valeur efficace de 4.8Vrms, cad puissance moyenne identique de 2.8W dans 8 ohms, selon le CF du signal, on aura des valeurs crête très différentes:

CF 3  => Upeak = 4,8 * 1,41 = 6,8 Vp
CF 6  => Upeak = 4,8 * 2     = 9,6 Vp
CF 9  => Upeak = 4,8 * 2,83 = 13,6 Vp
CF 12 => Upeak = 4,8 * 4     = 19,2 Vp
CF 15 => Upeak = 4,8 * 5,64 = 27 Vp
CF 20 => Upeak = 4,8 * 10    = 48 Vp

Une sinusoide a un CF de 3.
Les bons enregistrements de musique ont un CF de 12 à 15.
Le CF peut baisser en dessous de 9 pour la musique ultra-compressée. (cf compléments et loudness war).
Sur certains films, le CF peut monter à 20.

Dimensionnement de l'ampli pour cet exemple.

Sur la fiche technique d'un ampli, c'est la puissance moyenne (souvent marquée Wrms) avec signal sinusoidal qui est indiquée. Elle est donnée pour une ou plusieurs impédances : souvent dans 8, 6 ou 4 ohms. Il faut faire avec cette information pour en déduire le reste.

On pourrait se dire naivement que pour un besoin de 2,8W, on va prendre de la marge et choisir un ampli donné pour 5W dans 8ohms. Presque le double, cela devrait aller!
Or un ampli donné pour 5W dans 8ohms signifie que c'est 5W pour un signal sinusoidal. Cela signifie qu'il peut délivrer une tension efficace de 6.3Vrms sur sinusoide. Donc des crêtes de 9V.
Cet ampli ne pourra pas passer correctement à 2,8Wrms moyen un signal musical avec CF de 6 ou plus car les crêtes de ce signal dépassent 9V.

Pour pouvoir reproduire sans écrêtage un signal musical avec CF=15 à une puissance moyenne de 2,8W, il faut pouvoir passer des crêtes à 27V.
Sur une sinuoide, une crête à 27V correspond à une valeur efficace de 19V.
Cad qu'il faut un ampli ayant une puissance annoncée par le fabricant de 45W dans 8 ohm.

Euh... un ampli de 45W alors que la puissance moyenne à reproduire n'est que de 2,8W ?
oui car la puissance annoncée par les constructeurs est sur signal sinuisodal (normalement mesurée à 1kHz) et que la musique est loin d'être une sinusoide!


Pour conclure

C'est assez perturbant il faut l'avouer. Si on veut écouter de la musique bien produite, ayant une "dynamique" élevée comme on dit, càd ayant un grand CF, et bien qu'on écoute à un niveau raisonnable, il faut un ampli puissant qui sera laaargement sous-exploité en terme de puissance electrique moyenne! On a besoin d'un ampli surpuissant uniquement pour passer les crêtes sans distordre. L'autre option consiste à écouter de la musique très compressée mais c'est hors sujet ici ;-)

Dans les années 1980/90, les fabricants ont tenté d'introduire des notions comme la "Puissance Musicale", censée être plus réaliste. C'était une intention louable, mais cela a donné lieu a tant de dérives que cela a été conspué par les "audiophiles" et abandonné par les fabricants.

Certains amplis destinés a un usage professionnel (Public Adress) donnent deux puissances : "Max Output Power" et "Continuous Output Power" selon l'impédance de l'enceinte. La Puissance Max, parfois appelée "Peak Power" donne une idée plus précise sur le niveau crête possible en sortie.

Les calculs pour jongler entre niveau sonore, CF et puissance moyenne annoncée sont assez simples. Le calculateur sur cette page rappelle les formules et effectue les calculs selon vos paramètres.

Pour le cinéma le label THX a défini une exxigence précise. Il faut pour les enceintes frontales et centrale, pouvoir atteindre un niveau sonore moyen de 85dB SPL (pondéré C) au point d'écoute, avec une marge de 20dB, donc 105dBSPL crête max au point d'écoute. Et ce par enceinte. Toute la chaine de production d'un film fait en sorte que la bande son soit cohérente, ce qui donne des dialogues audibles même suite à une explosion, sans avoir a changer de niveau pendant le film. Ce serait très dérangeant pour le spectateur sinon.
Pour la musique, il n'y a pas de règle.

Reste la question de savoir si on peut mesurer le niveau sonore et le CF de la musique chez soi ?
La réponse est oui. C'est même plutôt facile. Voir comment ci-dessous dans les compléments.


Notes

Rendement ou sensibilité pour un HP ou une enceinte ?

J'utilise le terme rendement lorsqu'il s'agit du niveau sonore obtenu à 1m à 1W
et le terme sensibilité lorsqu'il s'agit du niveau sonore obtenu à 1m avec un signal de 2.83Vrms.
Si l'impédance est 8 ohm, rendement = sensibilité.

Quelques autres formules utilisées

Relation entre Niveau sonore, Puissance et Rendement :

N = No + 10 * log(P)
N le niveau sonore en dB SPL à 1m obtenu avec la puissance électrique P dans le HP
No le niveau sonore du HP 1W/1m (cad son rendement)
P la puissance moyenne en W du signal(souvent écrit Wrms ce qui est un abus si répandu en audio qu'il est accepté)

Atténuation selon distance et Distance Critique

Pour simplifier, on considère que l'enceinte est une source ponctuelle.
En champ libre, la différence de niveau en dB SPL entre une distance D2 et D1 est   ΔN = 20*log(D2/D1)  .
Cette équation indique que, en champ libre, le niveau sonore est atténué de 6dB quand la distance à la source double.

Dans une pièce c'est très différent. Le champ diffus se rajoute au champ direct et, a partir d'une certaine distance dite Distance Critique, le niveau sonore ne baisse plus. On conseille d'ailleurs que le point d'écoute soit placé à la distance critique.

Pour donner une idée, dans un salon de 100m3 sans traitement acoustique particulier, avec des enceintes peu directives, la distance critique est inférieure à 2m.
Dans un salon soigneusement traité acoustiquement de 130m3 avec des enceintes plutot directives, la distance critique approche 4m.
Le traitement acoustique de la pièce fait baisser la réverbération, ce qui se traduit par un RT60 faible. C'est le critère le plus influent pour augmenter la distance critique. A vous de voir dans votre cas.
Cette notion est bien expliquée par JP Laffont ou encore Francis Audio.
Le calculateur sur ce site permet de calculer la Distance Critique.

Apport d'une deuxième enceinte en stereo

On suppose les deux enceintes équidistantes du point d'écoute et on omet les effets de la pièce.
En stereo, il s'agit de deux sources non corrélées : la stereo augmente le niveau sonore de +3dB SPL par rapport à une enceinte seule.

En mono, les deux enceintes sont des sources corrélées et dans ce cas, la deuxième enceinte apporte +6dB.


Compléments

Qui décide du Crest Factor ?

C'est décidé lors de la production. En général, le niveau crête est réglé à 0dBFS et le niveau efficace (puissance moyenne) est un choix de la production. Les électroniques du studio compressent/limitent la musique en conséquence.
Contrairement au cinema avec THX, il n'y a pas de norme pour la musique. Chaque studio, chaque artiste peut faire ce qu'il veut.

Chacun a remarqué qu'il faut modifier le réglage du volume lorsqu'on change d'album. Ce souci disparaît en utilisant un normaliseur comme replaygain avec foobar2000. Replaygain ne compresse ou ne limite rien, aucune perte. Il analyse chaque titre et ajuste ensuite le gain du préamp lors de la lecture de chaque morceau afin d'harmoniser le niveau de playback.

Loudness War
Depuis le milieu des années 90 la production de musique est faite avec des niveaux moyens de plus en plus élevés. La musique parait plus forte et donc plus plaisante pour le néophite. Malheureusement, cela écrase la sensation de vie de la musique.
Le crest-factor n'a cessé de diminuer au fil du temps.


Production du même titre 'Something' des Beatles au fil du temps

La majorité de la musique enregistrée actuelle est produite pour un crest-factor de 9 à 12dB.
Les 'bons' enregistrements ont un CF de 12 à 15dB. Au delà, c'est exceptionnel.
Plus de 20dB devient un non-sens car la plupart des clients n'ont pas le matériel pour le restituer correctement à un niveau décent.

Exemples tirés de ma musique : (valeur efficace RMS mesurée sur album entier)
- Miles Kane - Don't forget who you are - 2013 : Peak = 0   RMS = -9
- Tok Tok Tok - I wish - 2005 : Peak = -0,1   RMS = -20 (Petit label allemand. Quand on veut faire bien, on peut !)
- Isaac Hayes - BO Shaft - enregitré 1971, mis sur CD en 1993 : Peak = -1,7   RMS = -23,7
Je vous laisse deviner quels enregistrements paraissent les plus vivants !

Autre exemple : un forumeur sur Audiofanzine
"Je viens de faire un comparatif entre 4 albums des Pixies.
Trois d'entre eux datent de fin 80s / début 90s (Doolittle, Bossa Nova et Trompe le Monde), et le dernier de 2014 (Indie Cindy). Les trois premiers cités ont une DR (dynamic range) de 13, 12, 12, contre 6 pour le dernier. À 23 ans d'écart, avec les mêmes musiciens (moins la bassiste), et le même producteur aux commandes... À un moment, dans un passé pas si lointain, il y a bien un nouveau standard qui s'est établi."


Evidemment cette compression est regrettable. De nombreux artistes et auditeurs réclamment la fin de la loudness war et le retour à des mix de qualité avec un plus grand crest-factor et moins de compression.
Allez signer la pétition ici: Loudness war : how did it start.


Constater soi même l'effet du Crest-Factor chez soi

La musique est éminement diversifiée et variable : c'est quasi impossible de faire des mesures avec un signal aussi variable. Comme on ne peut simplement mesurer sur de la musique, on utilise ce qui s'en rapproche le plus, tout en étant stable et reproductible : un bruit rose.

Attention, tous les bruits rose ne sont pas identiques ! Ils peuvent avoir une valeur efficace et peak différentes, donc un CF différent.
Vous pouvez en télécharger en bas de page.

Connaissant la valeur crête et efficace du bruit rose, on peut s'en servir pour des règlages de manière fiable et répétable. Et surtout, de manière cohérente avec ce que perçoit l'oreille sur de la musique, ce qui est l'essentiel.

Vous pouvez vérifier : écoutez successivement des bruits rose 0dBFS de CF différent, sans changer le volume.
Le bruit rose avec CF=15 disponible ci-dessous vous paraitra bien moins fort que celui avec CF=6. Pas surprenant : le niveau moyen est de 9dB inférieur.


Mesurer sa musique chez soi

Mesure le Crest-Factor de sa musique (Dynamic Range)

J'utilise le plugin foobar TT-DR pour mesurer le niveau crête et RMS de mes fichiers audio.
La version windows du logiciel est limitée à la mesure de fichiers .wav et .mp3 en 16bits/44.1kHz.
Le plugin foobar en revanche sait mesurer tout ce que foobar sait décoder, donc quasiment tout ce qui existe.

Attention toutefois que TT-DR mesure le niveau RMS selon l'AES17, dans laquelle le niveau RMS est de 3dB supérieur aux valeurs traditionnelles. (pour AES17, un sinus de valeur crête 0dBFS a une valeur RMS de 0dB). Je préfère utiliser les valeurs traditionnelles de RMS.

On a donc facteur de crête   CF = TTDR + 3  

Niveau sonore

Vous pouvez utiliser les bruits rose de cette page pour estimer votre niveau d'écoute.
Attention si vous utilisez les notes pures (sinusoides) : un sinus est un signal exigeant pour un ampli et des enceintes; Ne poussez pas le volume!
Autant les amplis sont, en principe, protégés contre la surchauffe, autant les HPs ne le sont pas. Ne grillez pas vos HPs ! Le signal sinusoidal a télécharger plus bas est à -6dBFs pour limiter les dégats en cas d'écoute à plein niveau par erreur.

Au passage, les fabricants (sérieux) d'enceintes et HPs annoncent la puissance admissible selon la norme AES2 qui préconise depuis 2012 l'usage d'un signal de CF 12. (la norme AES2 de 1984 c'était CF 6. Eux aussi se sont adaptés dans un sens de moindre exigence!)

Un sonomètre calibré avec mesure en dB SPL(pondération C, intégration lente) est idéal pour mesurer le niveau sonore. Hornplans détaille bien comment utiliser ces appareils.

A défaut, un smartphone avec une appli de type sonomètre calibrée pour votre modèle de téléphone s'avère plutôt précis sur un bruit rose.
J'ai pu comparer un Galaxy S2 et Galaxy S4 avec un sonomètre calibré : l'erreur est inférieure à 1dB.


Calculateur en ligne

Le calculateur en ligne rappelle les formules et fait les calculs.

La certification THX exige de pouvoir reproduire 105dBSPL crête au point découte par enceinte frontale. Les multiples enceintes contribuent au niveau sonore au point d'écoute ce qui peut donner un niveau indécent.

Pour moi, 105dBSPL c'est trop fort sur de la musique! je vise dans mon salon un max de 100dB à 3m.
Je fais mes mesures avec bruit rose ayant un CF de 13dB.

N'hésitez pas à vous faire peur avec le calculateur !


Ressources

Calculateur

Calculateur en ligne pour calculer la puissance ampli selon niveau sonore souhaité au point d'écoute.

Download

Sinus (La 440Hz) (-6dBFS peak)(-9dB rms)(CF 3dB).flac 30 secondes de sinusoide 440Hz a -6dBFs
PinkNoise (0dbFS peak)(-6dB rms)(CF 6dB).flac 15 secondes de bruit rose 0dBFS CF 6 (double mono)
PinkNoise_2xmono_(0dBFS_peak)(-13dB rms)(CF_13dB)(Audacity).flac 30 secondes de bruit rose 0dBFS CF 13 (double mono)
PinkNoise_2xmono_(0dBFS_peak)(-15dB rms)(CF_15dB)(wavTones.com).flac 15 secondes de bruit rose 0dBFS CF 15 (double mono)

PinkNoise_stereo_(0dBFS_peak)(-13dB_rms)(CF_13dB)(Audacity).flac Une minute de bruit rose 0dBFS CF 13 (stereo) généré avec audacity. Parfait pour les mesures de niveau réalistes.

Sources/liens utiles:

JP Lafont et en particulier ici.
ohl (pink noise)
Merci à eux pour leurs interventions éclairantes sur les forums.
hornplans article sur niveaux rms et crête et mesures
TT-DR l'outil pour mesurer le niveau RMS de vos fichiers audio


publication initiale le 2 octobre 2014. Modifié plusieurs fois depuis.