Quelle puissance pour un ampli audio ?


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

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

L'explication fréquente 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 aiment sauter aux conclusions, calculateur en ligne

Une notion méconnue : le Crest Factor

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

La dynamique impose un niveau de rapport signal bruit de l'ampli, pas 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.

Si ce n'est pas la dynamique de la musique, c'est quoi ?
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(Vp/Vrms)

La Valeur Efficace d'un signal donne sa Puissance Moyenne dans une impédance donnée. (penser à l'analogie avec les courants et tensions périodiques)

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

Les sonomètres (en mesure pondérée C, intégration lente) mesurent le niveau sonore moyen comme l'oreille. Niveau sonore exprimé en dB SPL (Sound Pressure Level).

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

Une sinusoide a un CF de 3 (ratio Vp/Vrms=1,414).
Un signal carré a un CF de 0 : valeur efficace = valeur crête.
Pour la musique, cela peut varier d'un titre 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 puissance moyenne est 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 redevienne équivalente.
C'est tout l'enjeu de la loudness war ! (voir l'encart plus bas)

La même chose dit différemment :

Signaux avec la même valeur efficace et leur valeur crête.

Ces trois signaux ont la même valeur efficace, donc la même puissance moyenne. Il y a facteur 1,414 pour un sinus entre valeur crête et valeur efficace. Pour un signal de CF=12, ce facteur est de 4.

note: 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.


Exemple :

HP de 8ohms de sensibilité 90dB/1m.
Niveau sonore moyen souhaité à 1m : 94,5 dB SPL (correspond à un niveau d'écoute à 3m de 85dB SPL environ.)

On calcule la puissance moyenne nécessaire Pm = 10^((94,5-90)/10) = 2,8Wrms. (on écrit Wrms par abus de langage)
On sait que Pm = Ueff^2/R. Dans 8 ohms, cela correspond à une Valeur Efficace de 4,8Vrms.

C'est là que le CF intervient.

Pour une même valeur efficace de 4.8Vrms, cad puissance moyenne 2.8W dans 8 ohms, selon le CF on aura les valeurs suivantes pour la tension crête du signal:

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

Par exemple, un ampli donné pour une puissance moyenne 5W dans 8ohms pourra délivrer une tension efficace de 6.3Vrms, cad des crêtes de 9V seulement. Cet ampli ne pourrait pas passer correctement à 2,8Wrms moyen un signal musical de CF=6 ou plus.
Pour pouvoir passer des crêtes à 27V nécessaire pour reproduire un signal musical avec CF=15 avec une puissance moyenne 2,8W, il faut un ampli ayant une puissance annoncée de 46W dans 8 ohm!

46W alors que la puissance moyenne n'est que de 2,8W : Tout le reste, c'est pour passer les pointes sans écreter.

THX demande, pour les enceintes frontales et centrale, de pouvoir atteindre un niveau 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.
Pour la musique, pas de règle.

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

Peut on mesurer le niveau sonore et le CF de la musique chez soi ?
oui. voir dans les compléments.

Puis je estimer la puissance d'ampli nécessaire pour ma situation ?
oui. voir le calculateur en ligne dans les ressources en bas de page.


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.

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
Pour simplifier, on considère que l'enceinte est une source ponctuelle en champ libre.
Dans ce cas, 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 double. Dans une pièce c'est bien entendu très différent. Le champ diffus se rajoute au champ direct et, a partir d'une certaine distance dite distance critique, le niveau ne baisse plus. Voir ce site pour plus d'infos

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 source apporte +6dB.


Compléments

Qui décide du Crest Factor ?

Sur de la musique enregistrée, 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 mixeur 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 c'est 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. Si on ne peut simplement mesurer sur de la musique, comment fait on ?
On utilise ce qui se rapproche le plus de la musique et qui soit reproductible : un bruit rose.

Attention, tous les bruits rose ne sont pas identiques ! Ils peuvent avoir une valeur efficace et peak différentes, donc 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 CF 15 disponible ci-dessous vous paraitra bien moins mort que le CF 6. Pas surprenant : le niveau moyen est de 9dB inférieur.


Mesurer sa musique chez soi

Mesure les valeurs rms, crête et le CF de sa musique

J'utilise le plugin foobar TT-DR pour mesurer le niveau crête et RMS de mes fichiers audio.
La version windows du logiciel permet de mesurer uniquement les fichiers .wav et .mp3 en 16bits/44.1kHz.
Le plugin foobar 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 (pour AES17, un sinus de valeur crête 0dBFS aura une valeur RMS de 0dB)
Je préfère les valeurs traditionnelles de RMS et pour ne pas me tromper, j'appelle RMSTT celle mesurée par TT-DR .

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 la casse 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 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.