Qualité audio des Smartphones en 2011
Introduction
Ce petit article n’a pas la prétention d’être exempt d’erreurs, il est écrit par un physicien audiophile et non un ingénieur du son. Le but de celui-ci est avant tout de vulgariser des concepts qui peuvent sembler obscurs aux néophytes. Vous trouverez des informations bien plus précises sur des sites spécialisés et notamment sur GenerationMp3.
Le problème avec la mesure de la qualité audio d’un appareil, c’est qu’elle est très subjective. Chacun perçoit la musique de manière différente car nous n’avons pas la même éducation musicale, la même oreille et les mêmes attentes en ce qui concerne la musique. Difficile donc de juger si un son est « bon » ou bien s’il est « mauvais » . Parler de “mauvais son” et de “bon son” est un abus de langage, il vaut mieux parler de qualité de la sortie audio, c’est d’ailleurs le sujet de cet article
Pour les appareils électroniques, on considère que le signal n’est globalement pas abimé en étant stocké, ni même décompressé par le processeur (vers 44100Hz, 16Bit, Stereo). Le principal responsable de l’altération du signal est le composant DAC (le convertisseur digital vers analogique) qui contient aussi un amplificateur sur ce type d’appareil.
Actuellement sur les Smartphones haut de gamme le son est de bonne qualité, on comparera le son avec un lecteur MP3 IAudio d’excellente facture : le Cowon IAudio 9.
Donc pour juger la qualité d’une sortie audio on cherche à vérifier comment retranscrit le lecteur, un signal que l’on a créé et que l’on connait. Par là j’entends que l’on crée un fichier contenant un signal audio codé en numérique. On lit ce fichier avec le lecteur et en sortie on récupère le signal analogique soit :
- directement avec la prise jack (20000 Ohm)
- avec un casque (ici AKG 32 Ohm) directement avec un microphone de très bonne qualité si l’on veut tenir compte de l’impédance ajoutée par celui-ci.
Les tests suivants ont été réalisés à volume maximum ce qui permet d’accentuer la distorsion que l’appareil inflige au signal. En effet, certains lecteurs détériorent grandement le signal à volume max.
Pour le test, le casque utilisé est de 32 Ohm, l’intensité est plus importante qu’un casque avec une plus haute impédance. L’amplificateur est plus sollicité donc travaille moins bien. De plus, on pousse le son à fond pour avoir une plus grande intensité. Ces tests sont réalisés par des professionnels. Vous trouverez à la fin de cette article les sources. Le logiciel utilisé est RightMark Audio.
En comparant le signal donné et le signal que nous renvoit le casque on peut discuter quantitativement de la qualité d’une sortie audio. Les résultats doivent être reproductibles et comparables sinon cela n’a pas d’intérêt.
La réponse en fréquence
Cette mesure ne permet pas de dire si le son est agréable, mais uniquement si le son qui sort des écouteurs est le son tel qu’il est enregistré sur le fichier audio. Pour comprendre cette partie, il faut savoir ce qu’est un signal audio. Très rapidement, un signal audio est une information provenant d’un émetteur et attendant un récepteur composé d’une multitude de signaux sinusoïdaux purs avec des fréquences différentes.
Rappel sur la fréquence :
Une fonction sinusoïdale est décrite par sa phase ϕ (“décalage par rapport à l’origine“), son amplitude Ĝ et sa fréquence (ici pulsation ω). On peut l’écrire de cette manière.
Ici, ce terme contient toutes les fonctions sinusoïdales, que ce soit un cosinus ou un sinus. Le cosinus étant juste un sinus déphasé. Mais c’est vrai que l’on s’en fiche, continuons…
Voila deux signaux sinusoïdaux mais de fréquences différentes.
Un signal quelconque peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux. Par exemple : ci-dessous avec le signal audio composé en noir qui est en fait la somme pondérée des signaux en vert, rose, bleu, rouge etc… Ainsi notre oreille perçoit le signal comme une somme de signaux sinusoïdaux de fréquences différentes.
Grâce à un outil mathématique appelé “transformée de Fourier” on peut décomposer le signal du dessous en une somme de sinus de fréquences différentes avec une intensité différente. C’est ce qu’on voit au-dessus (à chaque pic correspond une intensité particulière pour une certaine fréquence). Plus le pic est grand plus la fréquence correspondante est “présente”.
Revenons à nos moutons, on cherche à déterminer par rapport à un signal envoyé si toutes les fréquences sont bien restituées et dans les mêmes proportions. Si j’envoie un signal « plat » et que les basses sont plus intenses que les aiguës c’est que le lecteur ne restitue pas correctement le son. C’est mauvais ou alors un équaliseur altère le signal.
Les limites de perception de l’oreille humaine se situent entre 20Hz et 20Khz. Mais globalement on se fiche de cette bande passante car la plupart des appareils électroniques sont capables de restituer un signal dans cette gamme de fréquence et puis l’oreille humaine ni verra que du feu même si l’on est entre 30 Hz et 19 KHz. Non ce qui nous intéresse c’est si la restitution est « uniforme ».
A propos de l’unité Décibel :
Partout dans le monde, pour mesurer la puissance d’une onde sonore (ou plutôt pour comparer deux puissances) on utilise une unité appelée Décibel. C’est un nom un peu barbare en l’honneur de Mr Bell et inventé par les ingénieurs des laboratoires Bell pour quantifier l’atténuation d’un signal Audio sur une liaison téléphonique. C’est une fonction logarithmique (pourquoi, parce que notre oreille est un récepteur logarithmique !!) de rapport de puissance (ce que l’on envoie par rapport à ce que l’on reçoit). On multiplie enfin par 10 pour avoir une unité plus pratique (d’où le nom déci-bel).
Si la puissance du signal de sortie est égale au signal de puissance de l’entrée, le logarithme vaut 0 (en effet log(1)=0) et donc pas d’atténuation. Si la puissance du signal de sortie est 10 fois plus faible (log(10) = 1) donc on aura une atténuation de 10 dB (-10dB) et s’il est 100 fois plus faible -20dB, 1000 fois -30 dB.
Pour mesurer la réponse en fréquence on envoie donc un signal et on mesure l’atténuation (ou l’amplification) de certaines fréquences. On note [+ x dB, – y dB].
Exemple :
On s’intéresse d’abord à la courbe blanche. Sur celle-ci nous voyons que la réponse en fréquence est plutôt bonne (attention c’est une échelle logarithmique) entre 40Hz et 15 Khz. +0.05 dB,-0.34dB au bord. Par contre quand on rajoute la résistance du casque c’est un peu moins bon +0.71 dB (pour les basses), -0.15 dB pour les aiguës. Comme on l’a vu c’est normal le courant augmente et l’amplificateur souffre.
Voici l’évolution de la réponse en fréquence pour quelques Smartphones :
| Sans casque | Réponse en fréquence (dB) | Étendue |
|
| HTC Desire HD | 0,09 | -0,44 | 0,53 |
| HTC Sensation XE | 0,05 | -0,34 | 0,39 |
| Cowon IAudio 9 | 0,03 | -0,16 | 0,19 |
| Apple IPhone 4S | 0,02 | -0,11 | 0,13 |
| Samsung Galaxy S II | 0,04 | -0,09 | 0,13 |
| Apple IPhone 4 | 0,01 | -0,07 | 0,08 |
| LG Optimus 2X | 0,01 | -0,03 | 0,04 |
En charge les résultats sont tout de suite différents mais bien plus intéressants :
| Avec casque | Réponse en fréquence (dB) | Étendue |
|
| Samsung Galaxy S II | 1,05 | -0,22 | 1,27 |
| HTC Sensation XE | 0,71 | -0,15 | 0,86 |
| HTC Desire HD | 0,09 | -0,44 | 0,53 |
| LG Optimus 2X | 0,14 | -0,04 | 0,18 |
| Apple IPhone 4S | 0,05 | -0,1 | 0,15 |
| Apple IPhone 4 | 0,01 | -0,07 | 0,08 |
Le niveau de bruit :
Quand le son sort de l’appareil celui-ci peut être perturbé par des signaux parasites qui peuvent venir par exemple du champ Électromagnétique environnant (le téléphone communique) si le blindage de l’appareil n’est pas terrible, cela peut venir aussi du processeur etc… (Rendez vous ici pour écouter ce bruit sur le Samsung Galaxy S II http://soundcloud.com/anandtech/galaxysii-cpu-edge-noise )
Ici la mesure se fait en dB (A), c’est l’unité retenue pour représenter les niveaux sonores en tenant compte de la sensibilité (selon la fréquence) de l’oreille humaine (l’humain entend moins bien les graves que les aiguës). Alors on fixe comme origine 40 dB au dessus du seuil d’audibilité. C’est à dire qu’à 0 dB(A) on est 40 dB au dessus du seuil où l’on entend plus rien.
On classe ci-dessous les appareils en fonction de leur niveau de bruit.
| Sans casque | Noise Level (dB(A)) |
| Samsung Galaxy S II | -91,4 |
| Apple IPhone 4S | -91,2 |
| HTC Desire HD | -90,6 |
| Cowon IAudio 9 | -90,5 |
| HTC Sensation XE | -90,2 |
| Apple IPhone 4 | -90,1 |
| LG Optimus 2X | -90,1 |

Le Samsung Galaxy S II est ici le meilleur dans cette catégorie en tout cas sans charge. C'est à dire sans casque.
| Sans casque | Noise Level (dB(A)) |
| HTC Desire HD | -93,2 |
| Apple IPhone 4S | -91,3 |
| Apple IPhone 4 | -90,4 |
| Samsung Galaxy S II | -90 |
| LG Optimus 2X | -89,8 |
| HTC Sensation XE | -89,1 |
Je tiens à modérer ces résultats, soyons honnêtes le HTC Sensation XE à un rapport signal bruit de -89 dB ce qui signifie que le bruit est 77 000 fois trop faible pour être entendu par l’être humain. Pour le Desire HD, c’est 200 000 fois…
La gamme dynamique :
C’est la capacité qu’a un appareil à reproduire en même temps un son peu intense et très intense. Pour éviter la triche, on mesure uniquement les signaux qui ne subissent pas de distorsion (grossièrement de déformation). Par exemple si un appareil est capable de produire des sons pour une fréquence donnée de 9 dB(A) à 1 dB(A), la gamme dynamique vaut 8 dB(A). Plus cette gamme (dynamic range) est grande et mieux c’est !
| Nom | Dynamic Range (dB(A)) |
| HTC Desire HD (Casque) | 92,90 |
| Samsung Galaxy S II | 91,90 |
| Apple iPhone 4S (Casque) | 91,30 |
| Apple iPhone 4S | 91,20 |
| Cowon Iaudio 9 | 90,50 |
| Apple iPhone 4 (Casque) | 90,40 |
| HTC Desire HD | 90,40 |
| Samsung Galaxy S II (Casque) | 90,20 |
| HTC Sensation | 90,20 |
| HTC Sensation (Casque) | 90,10 |
| LG Optimus 2X | 90,10 |
| Apple iPhone 4 | 90,00 |
| LG Optimus 2X (Casque) | 89,90 |

Avec un casque le HTC Desire HD est encore une fois le meilleur suivi des IPhone et du Samsung. Le HTC Sensation semble à la traine...
Le taux de distorsion harmonique :
La distorsion harmonique, notée THD est une spécificité des amplificateurs (ou préamplificateurs). Comme nous l’avons vu tout à l’heure on peut décomposer n’importe quel signal audio sous forme de signaux sinusoïdaux. Le signal prépondérant est le fondamental (ce signal donne la hauteur de la note), les autres les harmoniques (elles donnent le timbre, la note LA du piano ne s’entend pas comme le LA d’une clarinette). En fait plus la quantité d’harmoniques est grande plus le signal est précis :
Pour conclure le taux de distorsion harmonique est le résultat d’un calcul mathématique ayant pour but de comparer le signal de sortie (ce qui sort du jack) et le signal d’entrée (le fichier audio). Plus ce taux est important plus la différence est importante et donc plus l’amplificateur est médiocre.
| Nom | THD (%) |
| Apple iPhone 4S | 0,002 |
| Apple iPhone 4 (Casque) | 0,0036 |
| Samsung Galaxy S II | 0,0042 |
| Cowon Iaudio 9 | 0,0048 |
| Apple iPhone 4S (Casque) | 0,0068 |
| Apple iPhone 4 | 0,0068 |
| LG Optimus 2X (Casque) | 0,0098 |
| LG Optimus 2X | 0,011 |
| HTC Sensation | 0,012 |
| Samsung Galaxy S II (Casque) | 0,013 |
| HTC Desire HD | 0,014 |
| HTC Sensation (Casque) | 0,019 |
| HTC Desire HD (Casque) | 0,02 |

On remarque que cette fois ci le Desire HD est en retrait en ayant le plus haut THD. Le HTC Sensation ne brille toujours pas. Par contre les IPhones sont vraiment bons.
Distorsion d’intermodulation + bruit :
C’est un phénomène complexe qui est la conséquence de la non linéarité du DAC. Si on a un signal avec deux fréquences différentes en entrée nous n’obtenons pas deux fréquences en sortie mais une multitude de signaux. Au premier ordre on voit bien ci-dessous deux pics secondaires en plus des deux pics de base ) gauche et à droite.
C’est ce phénomène qui est mesuré par l’IMD. Plus ce nombre est faible moins la distorsion est importante, mieux c’est.
| Nom | IMD (%) |
| Cowon Iaudio 9 | 0,0094 |
| Apple iPhone 4S | 0,012 |
| Apple iPhone 4 | 0,012 |
| LG Optimus 2X | 0,016 |
| HTC Sensation | 0,021 |
| Samsung Galaxy S II | 0,066 |
| Apple iPhone 4S (Casque) | 0,071 |
| Apple iPhone 4 (Casque) | 0,092 |
| LG Optimus 2X (Casque) | 0,111 |
| HTC Desire HD | 0,517 |
| HTC Sensation (Casque) | 0,522 |
| Samsung Galaxy S II (Casque) | 0,647 |
| HTC Desire HD (Casque) | 0,728 |
Diaphonie Stéréo :
Si on envoie un signal dans l’oreille droite. Le signal passe t’il aussi à gauche ? Et bien oui ! On compare dans ce test la puissance du signal à gauche par rapport à celui à droite. Plus ce rapport est faible, plus la stéréo est bonne !
| Nom | Stereo crosstalk (dB) |
| Apple iPhone 4S | -93 |
| HTC Desire HD | -92,6 |
| HTC Sensation | -91,1 |
| Cowon Iaudio 9 | -90,3 |
| Samsung Galaxy S II | -89,7 |
| Apple iPhone 4 | -89,6 |
| LG Optimus 2X | -89,2 |
| HTC Sensation (Casque) | -70,6 |
| Apple iPhone 4 (Casque) | -68,4 |
| Apple iPhone 4S (Casque) | -66,7 |
| Samsung Galaxy S II (Casque) | -49,4 |
| LG Optimus 2X (Casque) | -35,1 |
| HTC Desire HD (Casque) | -17,9 |
Conclusion
Pour finir comparons deux smartphones haut de gamme avec trois appareils (sans casque) :
- La Nintendo DS Lite réputée pour avoir un son très mauvais.
- Le lecteur Mini Disc Sony MZ-R3 représentant le haut de gamme… Il y a 15 ans.
- Le Cowon IAudio 9, un excellent lecteur contemporain.
| Etendue réponse en Fréquence (dB) | Noise level (dB(A)) | Dynamic Range (dB(A)) | THD (%) | IMD + Noise (%) | Stereo CrossTalk (dB) | |
| Sensation | 0,39 | -90,2 | 90,2 | 0,012 | 0,021 | -91,1 |
| IPhone 4S | 0,13 | -91,2 | 91,2 | 0,002 | 0,012 | -93 |
| Nintendo DS Lite | 8,78 | -66 | 64,5 | 1,8 | 3,836 | -69,1 |
| Mini Disc Sony MZ-R3 | 1 | -86 | 86,1 | 1,658 | 2,128 | -67,1 |
| Cowon Iaudio 9 | 0,12 | -79 | 79 | 0,0058 | 0,032 | -79,4 |

Comparaison de deux smartphones avec trois autres appareils. Les unités sont modifiées pour être représentées sur le même graphique.
On voit sur ce graphique que relativement à la DS et au MiniDisc, les smartphones et le lecteur MP3 sont relativement proches. Globalement la qualité audio est là et je doute que l’oreille humaine avec un casque à moins de 500 € puisse y voir quelque chose. Ce n’est pas avec les écouteurs Beats de Dr. Dre que l’on verra une différence flagrante.
On a vu que la qualité Audio évolue avec l’impédance du casque. Plus l’impédance est faible, plus l’ampli abime le signal.
Comme je l’expliquais en introduction, la qualité audio dépend beaucoup de chacun et l’objectif principal est de se faire plaisir. Ce matériel n’est de toute manière pas adapté aux professionnels et il n’a même pas été conçu pour ça. Vous pouvez adapter le signal à vos goûts : si vous aimez les basses vous pouvez régler l’équaliseur en conséquence (c’est d’ailleurs ce que fait la technologie Beats de HTC) ou acheter des écouteurs favorisant les basses.
La qualité audio dépend aussi de beaucoup d’autres éléments que nous n’avons pas pris en compte, par exemple :
- Écoutez vous la musique dans un endroit bruyant ? Si vous êtes dans le métro, mais avec un casque très isolant, le bruit extérieur sera audible. Le Noise Level avec ses -80 dB(A) semble ridicule à côté…
- Que vaut votre casque ? Si votre casque force sur les basses, la réponse en fréquence sera totalement différente…
- Quelle est la qualité de vos fichiers musicaux ? Peut être écoutez vous du streaming ? La compression est souvent destructrice (lossy).
- Avez vous une très bonne oreille ? Plus on vieillit, malheureusement, plus notre oreille perd en sensibilité. C’est un fait…
- etc…
L’autre question à se poser est : êtes vous un puriste ?
- Avez vous un casque valant plusieurs centaines d’euros ou des intras à 500 € et un MP3 d’une très grand marque (souvent cher et moche ‘Je rigole’) ?
- Écoutez vous constamment de la musique compressée en FLAC (lossless) et avez vous mis tout vos MP3 (lossy) à la corbeille ?
Peut être que la qualité audio n’est pas l’élément principal à prendre en compte lors de l’achat de votre smartphone vu le peu de différences entre-eux. En tout cas cela ne semble pas être une question prépondérante lors de l’achat d’un téléphone.
Sources :
Remarques :
Si vous avez des remarques n’hésitez pas, je suis toujours à l’écoute. Je suis audiophile mais pas professionnel, les informations présentes ici sont donc à remettre dans leur contexte.
Rémi MEVAERE
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