vignette|Orgues numériques Tyros5 (Yamaha) et WERSI.
Un orgue numérique est un instrument de musique offrant à l'instrumentiste la même disposition que celle d’un orgue classique à tuyaux : claviers, pédalier et registres de jeux. La différence essentielle est qu’au lieu de produire le son par des tuyaux, l’orgue numérique emploie des générateurs électroacoustiques à base d'échantillons numérisés, dont le signal est envoyé vers des haut-parleurs via des amplificateurs. Un des points communs avec l'orgue à tuyaux qui justifient le nom d’« orgue », est la capacité à prolonger les sons de manière indéfinie, contrairement à d'autres instruments à clavier tels le clavecin ou le piano.
Il ne faut pas confondre les orgues numériques et les orgues électroniques. ces derniers sont analogiques, et ont été développés principalement avant 1975.
Histoire Orgue électronique
Dès que la technologie a permis de créer des sons à partir de générateurs électroniques, l'idée de construire des instruments de musique utilisant cette possibilité est née. L’orgue électronique est le premier instrument qui ait été conçu pour pouvoir produire des sons uniquement à partir de l'électricité. Plusieurs technologies furent mises au point pour produire des sons : les roues phoniques., le trigger de Schmitt., l’oscillateur sur couple condensateur et bobine à induction, l’oscillateur à lampe, l'oscillateur à transistor avec transformateur-diviseurs et les générateurs à plateaux rotatifs (disques optiques., disques électrostatiques. et disques magnétiques).
Orgue et synthétiseur À partir de 1975, un nouveau souffle est donné à l’orgue avec la naissance du synthétiseur. Le son « synthé » profitera surtout à des orgues jazzy (avec claviers décalés et pédalier raccourci) et c'est alors l'explosion de ces instruments hybrides, avec boîte à rythme, accompagnement automatique et autres accessoires (portamento, vélocité, ). C’est la généralisation des produits japonais avec les orgues Yamaha, Technics, Roland, Korg. Même Hammond trouve un second souffle en adoptant la technologie synthé en 1975. Cependant, certains organistes classiques n'apprécient pas ces sons « fabriqués », car trop éloignés de ceux des orgues à tuyaux.
Caractéristiques L’orgue numérique est l'héritier direct de cette technologie de l’échantillonnage. Les sons produits ne sont plus générés électroniquement par des oscillateurs, ni synthétisés (comme c’était le cas sur les anciens générateurs analogiques), mais ils sont stockés dans une mémoire statique (en général une eprom, parfois un disque dur) et proviennent d’un véritable orgue à tuyaux dont un nombre déterminé de notes a été soigneusement enregistré à l’aide de deux ou quatre microphones. Un enregistrement à deux microphones donne un son stéréophonique ; un enregistrement à quatre microphones donne un son 3D (codage THX 5.1, présence spatiale). La qualité globale d’un orgue numérique dépend donc du nombre et de la qualité de ses échantillons individuels. Le soin apporté à l’enregistrement de chaque jeu et la qualité de l'amplification choisie conditionnent le résultat final.
Naissance du son numérique vignette|redresse|Échantillonnage. vignette|redresse|Ensoniq Mirage.
Avec l'arrivée de l'informatique, voit le jour l'idée de stocker la boucle sonore, non plus sur un disque ou sur un bout de bande magnétique, mais dans de la mémoire informatique. Pour y parvenir, il fallait mettre au point une technologie radicalement différente d’enregistrement du son, la .
La numérisation ou enregistrement numérique consiste à convertir un son capté par un microphone (fig. 1) en une succession de valeurs numériques binaire (des et des ) qu’il est aisé ensuite de stocker sur un support idoine (puce mémoire, disquette, CD). Cette opération s’appelle conversion A-D pour Analogique-Digital (fig. 2) (en anglais pour ). Cependant, cette conversion oblige à exécuter une opération complexe : l’échantillonnage. Les premiers échantillonneurs sont nés dans le monde du synthétiseur ; il faut citer pour mémoire le Mirage de Ensoniq, né au début des années 1980. Il offrait une résolution de 8 bits, avait une polyphonie de 8 voix, mais il avait déjà un son exceptionnel (il y avait de très beaux sons d’orgue). L’échantillonnage consiste à analyser un son en temps réel, plusieurs milliers de fois par seconde ; chaque analyse consiste à mesurer la pression acoustique perçue par le microphone et à la convertir en une valeur numérique, compréhensible pour un ordinateur. C’est cette valeur que l’on appelle un « échantillon ». L’échantillonnage se fait généralement à sur 20 ou pour les professionnels (c’est-à-dire ) et à lorsque l’enregistrement est destiné au disque compact, avec une résolution de et en stéréo. Désormais, avec l’arrivée du DVD-Audio et du SACD, un nouveau standard émerge : échantillonnage à , avec 24 bits de profondeur..
La restitution du son original se fait en réalisant l’opération inverse qui consiste à lire l’information numérique stockée en mémoire et à la convertir en signal analogique : pour cela, est utilisé un convertisseur Digital-Analogique ou D-A (fig. 3) (en anglais pour ). C'est le nombre de convertisseurs qui détermine la capacité de l'orgue numérique à gérer simultanément la conversion de plusieurs échantillons.
Fréquence et résolution La fréquence d’échantillonnage détermine la bande passante supportée par le système. Selon le principe de Shannon, « l’information véhiculée par un signal dont le spectre est borné n'est pas modifiée par l'opération d'échantillonnage à condition que la fréquence d'échantillonnage soit au moins deux fois plus grande que la plus grande fréquence contenue dans le signal ». Cela signifie que pour encadrer la bande passante auditive naturelle de l’homme, que l’on estime comprise entre et dans le meilleur des cas, il faut une fréquence d’échantillonnage au moins égale ou supérieure à (c’est-à-dire le double de la fréquence la plus haute). Les orgues numériques actuels utilisent au minimum une fréquence d’échantillonnage de , ce qui est amplement suffisant au vu de cette contrainte..
Mais la fréquence d’échantillonnage seule ne suffit pas pour produire un son de haute qualité. La résolution du signal est également un paramètre très important. Elle est déterminée par le nombre de bits utilisés pour coder chaque échantillon. Les instruments habituel, sur le marché, ont les sons codés sur 16, 20 ou . Avec une résolution de , la dynamique théorique est de , ce qui offre une restitution des sons originaux proche de la perfection.
Techniques mises en œuvre Les premiers orgues numériques fonctionnant sur ce principe n’utilisaient qu’un seul échantillon transposé pour tout le clavier. Malgré le réalisme relatif du son obtenu par cette nouvelle technologie, le résultat était décevant lorsque la note jouée en transposition s'éloignait trop de la hauteur originale. De plus, les échantillons étaient pauvres, réalisés à une fréquence de ou sur et monophoniques, ce qui avait pour conséquence une surcharge de fréquences parasites dans les aigus (ondes stationnaires), des bruits de fond, du souffle, trop de transitoires, des impuretés et des accidents dans les graves, etc. Mais, dans les années 1990, l’orgue numérique a eu une évolution véritablement exponentielle, grâce au progrès technologique. Il a acquis une maturité certaine grâce à des capacités accrues et un échantillonnage d'une qualité toujours grandissante.
En pratique, il existe toujours actuellement plusieurs niveaux de qualité. La première distinction tient dans le types d’échantillons : les échantillons courts et les échantillons longs.
Échantillons courts Les échantillons courts contiennent un minimum d’information ; ils sont constitués d’une seule forme d’onde (enregistrée à l’aide d’un vrai tuyau) simplement répétée en boucle et le son obtenu, bien que proche de l’original, manque de variété et de dynamique. Le son sonne toujours « électronique » à cause de la platitude du son.
Échantillons longs Les échantillons longs sont dynamiques. Ils sont constitués de quatre éléments concaténés, nommés ADSR : attack (attaque), decay (déclin), sustain (maintien) et release (relâchement). L'attaque est le moment particulier de l’ouverture de la soupape où l’air pénétrant dans le tuyau commence à entrer en vibration ; il se produit alors toutes sortes de bruits, d’harmoniques qui sont caractéristiques du jeu (par exemple le chuintement à l’attaque du jeu de bourdon) puis la retombée qui se stabilise dans la tenue. La tenue, dans un échantillon long, n’est pas une simple onde rebouclée mais un enregistrement d’une certaine durée qui couvre une rotation de phase complète. Il faut en effet savoir qu’un tuyau d’orgue n’est pas un simple générateur acoustique stable et uniforme ; c’est même tout le contraire d’un générateur continu. Le vent produit toujours des ondes stationnaires qui entrent en phase les unes avec les autres et provoquent de légères fluctuations harmoniques perceptibles sur une période cyclique, dont la durée varie d’un tuyau à l’autre. Pour enregistrer correctement une rotation complète, il faut donc avoir l’oreille, être musicien autant que technicien, et y passer beaucoup de temps.
En pratique, on enregistre le jeu note par note (tuyau par tuyau), sur une durée de quelques secondes pour chaque note. C'est en studio qu’on isole ensuite patiemment, tuyau par tuyau, chaque phase pour la reboucler (et éviter le du bouclage). Finalement, on obtient une banque d’échantillons (autant que de touches) qui auront chacun une longueur différente et dont on aura préservé les petites imperfections et les petites inégalités qui font le réalisme de l’orgue acoustique.
Arrive enfin l'échantillon de fermeture qui va exactement restituer ce qui se passe au moment de l’extinction du son dans le tuyau. On appelle cette partie de l’échantillon la queue de résonance. Elle est très importante dans les jeux d’anche, car même si elle est presque imperceptible, la fermeture de la soupape provoque toujours un petit couinement ou un petit hoquet dû au fait que la languette continue de vibrer pendant une fraction de seconde.
Il existe une catégorie intermédiaire, l’échantillon court dynamiquement contrôlé qui consiste à exploiter un échantillon court et à y introduire, par traitement informatique, de petites altérations aléatoires pour lui donner plus de réalisme. Il s’agit de simulation et non de reproduction.
Dispersion des échantillons En théorie, l'orgue numérique parfait devrait avoir autant d’échantillons longs qu’un orgue acoustique possède de tuyaux. En pratique, les fabricants d’orgues numériques peuvent être amenés à faire des compromis entre réalisme sonore et coûts de production.
L’orgue numérique d’entrée de gamme n’aura que des échantillons courts. De plus, les mêmes échantillons seront utilisés pour plusieurs notes consécutives. En changeant la fréquence d’échantillonnage à la lecture, les notes manquantes de la gamme seront restitiées par transposition. Par exemple, pour faire un mi avec un do, l’échantillon du do est accéléré à la lecture, ce qui déforme légèrement le timbre et peut légèrement dénaturer le son (comme lorsqu’on écoute une voix enregistrée au ralenti ou en accéléré). Pour les douze notes d’une octave, 1, 2 ou 3 échantillons seulement serait utilisés ; pour couvrir 5 octaves, 5 à 15 échantillons suffisent alors. Pour trouver les solutions les plus économiques, les fabricants peuvent aller jusqu'à utiliser un seul échantillon pour la première et/ou la dernière octave du clavier. Ceux qui appliquent un tel procédé partent en effet du principe que l’oreille humaine serait moins sensible à la qualité timbrale dans le grave et dans l'aigu.