Qu'est-ce qu'un fichier MP3 ?

Vous ne pouvez pas avoir parlé d'audio et d'ordinateurs au cours des 15 dernières années sans avoir entendu parler d'un fichier MP3. Les fichiers audio MP3 et les sites Web, comme le Napster original, ont commencé à changer où, comment et quand les gens achetaient de la musique. Si vous êtes plus âgé, comme beaucoup d'entre nous dans l'industrie de l'électronique mobile, vous avez acheté vos CD, cassettes et peut-être même votre vinyle dans un magasin de disques. Les ordinateurs et Internet ont changé la donne. Vous pourriez aller en ligne après le dîner et télécharger une copie illégale d'une chanson en quelques minutes. C'était faux, mais les gens ont acquis des dizaines de millions de chansons de cette façon.

Dans les années 1990 et au début des années 2000, l'accès à Internet était lent. Nous avons commencé à nous connecter à Internet en utilisant des lignes téléphoniques et des modems. Chaque octet d'information prenait du temps à être transféré sur votre ordinateur, donc tout ce qui pouvait accélérer le processus était un régal. C'est en téléchargeant (en volant) de la musique via Internet que la popularité du fichier audio MP3 a rencontré son appel.

Introduction à l'audio numérique

Nous pourrions écrire 10 articles sur l'audio numérique - et nous le pourrions. Pour l'instant, nous allons regarder les bases et utiliser le disque compact (CD) comme référence. Les CD stockent l'audio numérique échantillonné à 44,1 kHz avec une résolution de 16 bits. Ces nombres signifient que chaque échantillon peut avoir une amplitude qui est une valeur unique dans une plage de 65 536 niveaux différents (2 à la puissance 16). L'information est échantillonnée 44 100 fois par seconde. L'échantillonnage à ce que l'on appelle 44,1/16 permet de capturer la plage audio audible (considérée de 20 Hz à 20 kHz) avec un bon niveau de détail et de précision.

Pour stocker 1 seconde d'audio à cette résolution, nous devons stocker 1 411 200 bits d'informations. Quiconque a joué avec un logiciel de transcodage audio peut reconnaître 1 411 kbps comme débit de données standard. Ce nombre est calculé en multipliant le nombre de bits par échantillon (16) par le nombre d'échantillons par seconde (44 100) par 2. Le facteur fois-2 est dû au fait que nous enregistrons en stéréo, soit deux canaux. Ainsi, une longue chanson de 3 minutes fait 254 016 000 bits ou 31 752 000 octets.

Arrondissons à 31 mégaoctets d'informations. Pouvez-vous imaginer combien de temps il faut pour télécharger cela avec un modem commuté fonctionnant à 14 400 bauds ? La réponse est d'au moins 3,5 minutes - sans vérification d'erreur, bruit de ligne et autres facteurs qui ralentissent le temps de téléchargement réel à environ 5,5 minutes.

Compression des données

Et si quelqu'un trouvait un moyen de réduire la taille du fichier audio pour accélérer le temps de téléchargement et réduire l'utilisation de la bande passante ? La mise en garde est que le son reste essentiellement le même sur la plupart des systèmes audio de base, tels qu'un téléviseur, des haut-parleurs d'ordinateur ou un autoradio d'usine des années 1990. En 1991, un groupe d'entreprises, comprenant l'Institut Fraunhofer, France Télécom, Philips, TDF et l'IRT, a commencé à travailler sur un moyen de réduire la taille des fichiers tout en conservant des informations pertinentes. C'est la clé de la réduction de la taille du fichier à l'aide de la compression MP3.

Le format de fichier MP3 est un algorithme de "compression avec perte". La compression avec perte signifie que les informations sont supprimées pour réduire la taille du fichier. L'équipe de développement a travaillé sur une méthode de compression appelée codage perceptif pour décider quelles informations supprimer. L'encodage perceptif est basé sur la façon dont nous entendons les sons par rapport à d'autres informations et sur les limites de notre audition.

Ce que les fichiers MP3 rejettent

Nous allons analyser les informations que les fichiers MP3 suppriment pour réduire la taille du fichier. L'un des moyens les plus simples de réduire le stockage des informations consiste à réduire la fréquence la plus élevée qui sera reproduite. Si nous analysons un fichier MP3 de 128 kbps, nous constatons que la fréquence reproduite la plus élevée est juste en dessous de 16 kHz. Si c'était la seule information supprimée, notre nouveau débit binaire avec des échantillons 16 bits en stéréo serait d'environ 1 004 800 kbps au lieu de 1 411 200 kbps pour 20,05 kHz.

La partie suivante du processus de compression analyse le contenu commun aux deux canaux. Il est courant que certaines parties d'un enregistrement soient pratiquement en mono. Le processus d'encodage supprime les informations dupliquées du fichier et ajoute du code pour copier le canal opposé. Si la piste audio était purement mono, la taille du fichier serait divisée en deux. Peu de pistes sont complètement mono, mais nous pouvons voir plus d'économie d'espace grâce à ce processus.

Le traitement ultérieur examine les informations de bas niveau lors des passages à haute amplitude. Prenons l'exemple d'une chanson avec beaucoup de basses et des informations de médium harmoniques très calmes. Les processus d'encodage perceptifs tels que MP3 supprimeront ces informations de bas niveau de la piste audio. Ce processus est appelé masquage audio. Il y a suffisamment d'informations audio à d'autres fréquences pour vous empêcher d'entendre ce qui est supprimé.

Entendez-vous la différence ?

Des dizaines, voire des centaines, de tests ont comparé des fichiers MP3 à des pistes audio de qualité CD. Y a-t-il des différences ? Il y en a très certainement. Une chose est devenue évidente au cours de nos recherches :la façon dont un fichier MP3 est créé est cruciale pour sa qualité sonore subjective. Différents encodeurs fonctionnent de différentes manières avec des résultats différents.

La meilleure façon de décrire la différence entre un enregistrement de qualité CD et un fichier MP3 est peut-être de regarder la différence entre les deux. J'aimerais que nous puissions partager quelques extraits ici pour que vous les écoutiez, mais cela enfreindrait les lois sur le droit d'auteur. Ce que nous pouvons faire, c'est vous montrer visuellement la différence.

Nous avons pris un extrait de 3 secondes de "Give Life Back to Music" de Daft Punk. Nous avons choisi ce morceau en raison de l'effort clair et conscient de Daft Punk pour rendre disponible dans le commerce une version haute résolution de l'album. Nous tenons à les remercier pour cela ! L'échantillon est de 31,5 secondes à 34,5 secondes dans la chanson.

Ce spectrogramme montre le contenu fréquentiel de l'échantillon. L'échelle horizontale est le temps. L'échelle verticale est la fréquence. Enfin, l'intensité de la couleur montre l'amplitude.

Vous pouvez voir qu'il y a un contenu de fréquence jusqu'à 30 kHz, démontrant clairement la nature haute résolution de cette piste. Chaque bande de couleur verticale représente un rythme de boîte à rythmes - plus ou moins.

Analyse de fichiers MP3 de 128 ko

Il est clair que les informations audio supérieures à 16 kHz ont été supprimées. Le contenu en fréquences infrasonores est également clairement différent. Il y a plus d'informations dans le fichier MP3 en dessous de 30 Hz par rapport à l'original. Cette augmentation des informations se présentera cependant comme une plage moins dynamique.

MP3 contre fichier d'origine

Nous avons inversé le fichier MP3 et l'avons ajouté à l'échantillon original pour créer l'image que vous voyez ici. Le résultat net est la différence entre les deux pistes. Vous pouvez voir le contenu haute fréquence qui a été supprimé au-dessus de 16 kHz. En fait, les informations ont été supprimées à toutes les fréquences, et ces informations suivent le schéma d'intensité du fichier audio.

Le fichier d'origine a une amplitude de crête de -0,1 dB pour les deux canaux et une amplitude moyenne d'environ -14,2 dB. Les informations supprimées ont un niveau de crête de -10,9 dB et une amplitude moyenne de -37,01. Les informations supprimées sont enfouies profondément sous les informations d'amplitude de crête.

À quoi ressemble le son supprimé ? Nous décrirons le clip comme le son d'une fanfare lointaine. L'audio est principalement constitué d'informations à haute fréquence. Le morceau a également une texture résolument gazouillie :les rythmes de la boîte à rythmes sont clairs et présents, mais ils sonnent comme des coups de cymbale déformés.

Même avec un préampli casque haut de gamme et un casque de qualité studio, la différence est difficile à percevoir lors du basculement entre la piste originale et le fichier MP3. Dans un environnement d'écoute avec une scène sonore plus grande, cela peut être plus apparent.

Conclusions sur les fichiers MP3

Les puristes vous diront que vous devriez avoir les enregistrements de la plus haute qualité disponibles. Il n'y a pas de faute dans cette logique. Pourquoi lésiner quand on peut tout avoir ? Les fichiers MP3 à haut débit, comme ceux à 320 kbps, par exemple, sont d'excellente qualité. Des tests répétés ont montré que lorsqu'ils sont créés avec des algorithmes de compression de qualité, la différence sonore entre un enregistrement de qualité CD et un fichier MP3 de 320 kbps est presque impossible à détecter. Les fichiers MP3 à faible débit commencent à disposer de plus d'informations et les différences s'agrandissent.

Les dernières unités source sur le marché sont capables de lire des fichiers audio WAV et FLAC d'une résolution et d'une profondeur de bits élevées. Bientôt, nous verrons des unités qui liront les fichiers MQA via des connexions numériques. Presque toutes les sources gèrent les fichiers MP3 et WMA.

Rendez-vous dès aujourd'hui chez votre détaillant spécialisé en électronique mobile local et apportez de la musique à écouter. Nous pensons que vous serez impressionné, quel que soit le format que vous choisissez.