Signaux sonores 1

Les Signaux Sonores

A. QuidelleurSRC1 Meaux 2007-2008

Culture Scientifique et Traitement de l’InformationModule – Les Systèmes Audiovisuels et les Systèmes

de Transmission

Signaux sonores 2

Plan du module

Semestre 1 Principes des Filtres Signaux Sonores et Oreille Signaux Vidéo (analogiques) et Œil

Semestre 2 Supports de stockage, normes et standards en

Audiovisuel (analogique) Données Informatiques Techniques de Transmission

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Plan

Les différentes pressions

Les spectres des signaux sonores

Les caractéristiques physiques d’un signal sonore

Eléments de Psycho Acoustique

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Les différentes pressions

La pression atmosphérique La pression acoustique instantanée La pression acoustique

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Généralités

Audibles par l’oreille humaine

Issus de la vibration d’un émetteur (corde de guitare, cordes vocales, vibration tranches d’air, membrane de haut-parleur…)

Correspondent à des variations de la pression atmosphérique

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La pression atmosphérique

Elle est liée au nombre de molécules d’air présentes à leur agitation thermique

Elle est mesurée avec un manomètre

Unité: le Pascal Pa

La Pression atmosphérique moyenne est de l’ordre de 105Pa

Organisation statistique des "molécules d'air" en l'absence de bruit

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Variation de la pression atmosphérique

Onde de surpression et de dépressionVariables = ‘x’ et ‘t’

Pas de déplacement macroscopique de la matière

Sans matière, pas de signal sonore Vitesse de propagation de l’onde sonore dans l’air : v = 340 m/s (dépend des conditions expérimentales)

Question : Dans de nombreux films de science fiction, les combats dans l’espace sont illustrés de bruits de tir et d’explosion. Qu’en pensez-vous?

Instant : t1 t2 t3 t4 t5

Source de bruit

x

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Dépression : p(t)<0

Surpression : p(t)>0

Pression acoustique instantanée p(t)

C’est la grandeur qui traduit la variation de la pression atmosphérique P(t), relativement à la Pression atmosphérique moyenne P0 = 105Pa, en fonction du temps.p(t) = P(t) – P0

Ordres de grandeur Jardin tranquille :

pmax=3mPa Conversation courante:

pmax=30mPa Tonnerre: pmax=30 Pa

P0

(105 Pa)

00 t

Pression atmosphérique P(t)

00 t

Pression acoustique instantanée p(t) = P(t) – P0

p(t1)

p(t2)t1t2

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Définition de la valeur efficace d’un signal

Soit s(t) un signal.

La valeur efficace Seff de s(t) est la racine carré de la valeur moyenne de s(t) préalablement élevée au carré :

Propriétés Seff = 0 si et seulement si pour tout t, s(t) = 0 (signal toujours nul) Si s n’est pas un signal nul, Seff > 0 Si pour tout t, s1(t) > s2(t) alors S1eff > S2eff

Exercice : Calculez la valeur efficace d’un signal sinusoïdal centré d’amplitude Smax.

tsS 2eff

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Introduction à la notion de pression acoustique

Un bruit sera d’autant plus fort que la pression atmosphérique instantanée aura des variations plus importantes de part et d'autre de P0= 105 Pa.

Un bruit sera d'autant plus fort que les variations de p(t), la pression acoustique instantanée, seront plus importantes.

Exemple : Ici B2 est plus intense que B1.

B2

temps

10 5 P(t)

p(t)00

B1

Signaux sonores 11

Introduction à la notion de pression acoustique

La valeur moyenne de la pression acoustique des bruits B1 et B2 est nulle : ce n’est pas un bon indicateur du niveau de bruit.

Pour mesurer le niveau de bruit, on utilise la valeur efficace de p(t).

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La pression acoustique

On appelle pression acoustique la valeur efficace de la pression acoustique instantanée p(t) et on la note p.

tpp 2

t00

p(t)

B1eff

B2eff

Exemple : B2eff>B1eff : le son B2 est « plus fort » que le son B1

Ordres de grandeur Jardin tranquille :

p=2mPaConversation courante: p=20mPaTonnerre: p=20 Pa

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Les spectres des signaux sonores

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Son pur / Son composé

Son pur : signal périodique sinusoïdal dont le spectre contient donc un seul coefficient non nul.

Ex. : Un diapason émet un son pur (La 440Hz)

Son complexe : signal périodique dont le spectre contient plusieurs coefficients non nuls.

Ex. : La grave sur un piano

f440H

z0

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Spectre de la voix

Le flux d’air provenant des poumons est périodiquement interrompu par les vibrations des cordes vocales il en résulte un son.

Le conduit vocal possède une réponse en fréquence qui comprend des fréquences de résonance : les formants.

Les fréquences des formants apparaissent comme des pics dans le spectre du son émis au niveau des lèvres. 

heed

hard

heed

Who’d

Fréquences en abscisse

Les deux premiers formants de chaque syllabe

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Spectre d’un bruit quelconque

LI=20log(p/2.10-5)

fréquences

Spectre du bruit émis par un avion à hélices avec et sans contrôle acoustique actif CAA

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Les caractéristiques physiques d’un signal sonore

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Hauteur d’un son

La hauteur d'un son est le paramètre physique qui traduit le caractère subjectif du son perçu, nous faisant dire que ce son est grave ou aigu.

Entre ces deux sensations extrêmes il existe une échelle de hauteurs dont le milieu est appelé médium.

La fréquence est le paramètre physique qui correspond à la hauteur.

On définit les son aigus pour f > 8000Hz les sons graves pour f < 200Hz les sons médium pour 250Hz< f < 6000Hz

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Niveau d’Intensité Sonore

Définition : LI = 10log(I/I0) (en dB)

avec I0=10-12 W.m-2

I est l’intensité sonore. Unité: W/m2

C’est l’énergie émise par unité de surface. Elle est proportionnelle à la pression acoustique au carré : p2

(onde progressive sphérique ou plane).

LI est la grandeur physique qui est censée bien représenter la sensation de l’oreille à l’écoute d’un son d’intensité I.

« La sensation de l’oreille varie comme le logarithme de l’excitation »

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Niveau d’Intensité Sonore

LI = 10log(I/I0) La source O émet la puissance P (en Watt). 1m2 de sphère reçoit l’énergie I.

P

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Niveau d’Intensité Sonore

Excitation I

Sensation LI = 10log(I/I0)

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Niveau d’Intensité Sonore

X excitation

y = x-1y=log(x) sensation

Sensation proportionnelleà l’Excitation

Sensation proportionnelleau logarithme de l’Excitation

I/I0 LI=10log(I/I0)(en dB)

10 10

100 20

1000 30

+10x10

x10 +10

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Niveau d’intensité sonore et risques pour l’audition

Décollage de la fusée Ariane 180Turbo – réacteur 140Coup de fusil 130 Bancs d’essai moteurs Seuil de la douleurPassage d’une Formule 1 120 Marteau piqueurOrchestre de musique Pop 110 Atelier de chaudronneriePassage d’un train en gare 100 Scies circulairesWalkman volume à fond 90 Ponceuses PrésuméRadio à fond 80 Machine à tailler les outillagesRestaurant bruyant 70 Bureau avec machines à écrire Travail de bureau difficileConversation animée 60 Bureau bruyantConversation calme 50 Grand bureau calme Travail intellectuel pénibleAppartement tranquille 40 Petit bureau calmePromenade en forêt 30Campagne paisible 20Studio d’enregistrement 10Silence 0 Seuil d’audibilité

Avéré

Aucun

AU QUOTIDIEN NIVEAU SONORE

(dB)

AU TRAVAIL LES EFFETS RISQUE

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Eléments de Psycho Acoustique

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Champ auditif humain Exercice

Complétez l’échelle à droite du graphe Quelles sont les fréquences minimales et maximales audibles ? Quelle est la bande passante d’une voix ? D’un morceau de musique ?

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Champ auditif humain

1

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10

10-12

Question : quelle la bande passante du RTC ? Commentez…

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I ( Wm-2)p ( Pa) LI (dB)

Seuil d’audibilité

Seuil de douleur

Courbes de Fletcher et Munson

= Courbes d’égales sensations sonores = Courbes isosoniques

Tracé des courbes : On prend une fréquence de

référence (ex. : 1000Hz) et on fixe un niveau acoustique

Pour chaque fréquence f audible, on recherche le niveau donnant la même sensation de force sonore.

A niveau fixé, la sensation de l’oreille varie avec la fréquence

Sensibilité moins forte aux basses et hautes fréquences

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Courbes de Fletcher et Munson

Exercice : A quel niveau d’intensité sonore doit-on émettre un son de fréquence 100Hz pour qu’il soit perçu avec la même force qu’un son de 1000Hz et d’intensité 20dB ?

( Wm-2)p ( Pa) LI (dB)

Seuil d’audibilité

Seuil de douleur

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Utilisation des propriétés de l’isosonie en compression audio

( Wm-2)p ( Pa) LI (dB)musique

Son inaudible

Se séparer des infos

superflues?

Se séparer des infos

superflues?

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L’oreille humaine

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Transmission du signal

« Trois oreilles » : l’oreille externe, l’oreille moyenne, l’oreille interne

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① Le pavillon : capte et concentre les ondes sonores

② Le conduit auditif : rôle de protection (corps étrangers, poussières) et renforce les signaux sinusoïdaux dont les fréquences sont situées autour de 3000Hz = système microphone directionnel bonnette anti-vent

③ Le tympan : membrane fine qui transmet l’énergie acoustique à la chaîne des osselets sous forme d’énergie mécanique

L’oreille externe

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④ Le marteau⑤ L’enclume⑥ L’étrier

Adaptation d’impédance entre le milieu « air » et le milieu « liquide »

Amplification des signaux acoustiques de 25 dB environ (rapport des surfacesdu tympan et de la platine de l’étrier)

Protection de l’oreille interne

La chaîne des osselets : assure une transmission globale des vibrations tympaniques au liquide de l’oreille interne par vibration de la fenêtre ovale= capteur du microphone

Trompe d’Eustache (égalisation de pression)

Fenêtre ovale

L’oreille moyenne

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⑨ La cochlée ou limaçon : est le siège des cellules ciliées auditives (environ 24000) fonctionnant à la manière d’un transducteur d’énergie mécanique en énergie nerveuse

⑩ Le nerf auditif

Les canaux semi-circulaires (équilibre)

Liquide: (périlymphe)

Fenêtre ovale

L’oreille interne

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rampe tympanique

membrane basilaire

rampe vestibulaire(avec Périlymphe)

fibre nerveuse

membrane de Reissner

membrane tectorienne(stimule les cellules ciliées)

cellule ciliée

Hautes Fréquences

Basses Fréquences

Cheminement du « signal sonore »

Coupe du conduit du limaçon

Perception des fréquences sur la cochlée

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Bibliographie

http://www.bernafon.com Acoustique physiologique et éléments de perception psycho acoustique, Eugène M’Paya Kitantou, Techniques et production audiovisuelles, INA Les instruments de l’orchestre, Bibliothèque POUR LA SCIENCE