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De la Physique du son … à l’Art de s’en servir ! Jean-Claude DAMIEN Professeur - Dr. ès Sc.

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1 De la Physique du son … à l’Art de s’en servir ! Jean-Claude DAMIEN Professeur - Dr. ès Sc.

2 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC De la Physique du son … à l’Art de s’en servir ! Plan de l’exposé zIntroduction2 ’ zEléments d’Acoustique physique6 ’ zEléments d’Acoustique physiologique6 ’ zEléments d’Acoustique psychologique5 ’ zExemples d’application #25 ’ zConclusion1 ’

3 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC De la Physique du son … à l’Art de s’en servir ! Introduction zSon :phénomène physique et sensation auditive zConstat : le son est connu de tous mais l’Acoustique est peu enseignée ! z3 catégories : parole, musique, bruit zArt ? ++ musique, chanson... opéra, ciné, théâtre - - avion, train, usine … beurk ! ? chute d’eau, tourterelle, Béhême, V12 Ferrari …

4 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physique : Le phénomène physique zSon :perturbation de pression se propageant dans un milieu matériel élastique donc un « mix » : mécanique + ondes + thermodynamique zProcessus : état de compression / dilatation... P, V varient T ? isotherme ? adiabatique ? zValidation : mesures de la célérité dans l’air zMots clés : amortissement, amplitude, compressibilité, déplacement, élasticité, énergie, fluide, fréquence, impédance, intensité, masse volumique, phase, pression, puissance, surface d’onde, viscosité, vitesse

5 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physique : 2/6 ( 3 ) Les grandeurs physiques zFréquence N : de 20 kHz1 zcontenu fréquentiel :harmonique ? bande ? complexe?2,3 zPression acoustique p : de 200 Pa zPuissance acoustique :de 100 W zIntensité acoustique I : de 100 Wm -2  Impédance acoustique spécifique :  c en Rayl zCélérité du son :gaz ? liquide ?solide ?  Directivité :facteur [2 J 1 (ka sin  )/ka sin   

6 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physique : 3/6 La difficulté spécifique zExtensions gigantesques : * 3 ordres de grandeur en N * 7 ordres de grandeur en p * 14 ordres de grandeur en I zGrandeurs logarithmiques * intervalle de N : log 2 [N 2 /N 1 ] = 1 ou 1/3 octave * intensité : IL = L I =10 log 10 10[I / I réf ] en dB * pression : SPL = L p = 20 log 10 [p / p réf ] en dB

7 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physique : 4/6 Octaves et 1/3 d’octaves

8 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Quelques valeurs repères 5/6 Niveau p réf ??

9 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Fréquence (Hz) Pression acoustique (Pa) Puissance acoustique (W) Acoustique physique : 6/6 Domaine audio théorique Niveau … SPL / NI (dB) 140 ?

10 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physiologique : L’oreille zL’oreille externe : pavillon + conduit auditif … tympan] air zL’oreille moyenne : [ 3 osselets + Eustache... fenêtres O et R ]air zL’oreille interne : [ cochlée + vestibule + 3 canaux semi-circ....liquide on entend et, en plus, on tient debout !

11 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

12 Acoustique physiologique : 3/6 L’ouïe zSeuils : seuil d’audibilité 0 dB Wm -2 ou # Pa seuil de douleur 130 dB10 Wm -2 ou # 32 Pa  Milieux très différents : airimpédance  c # 415 Rayl eauimpédance  c # 1,5 MRayl zQuantum acoustique :50ms 0,3%(Hz) 1dB … au mieux ! z 5 sens : de 1 à 4 kHz, c’est le plus performant !

13 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physiologique : 4/6 ( 1 ) Domaine audible effectif

14 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physiologique : 5/6 (2 ) Les organes de phonation zLa soufflerie : [poumons + diaphragme … glotte] contrôle du DAB  Le système vibrateur : [larynx + cordes vocales ] fondamental 2 zLes résonateurs : [ pharynx + bouche + nez ] harmoniques système adapté à l’air … pas au mélange trimixte !

15 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique physiologique : 6/6 ( 3 ) La parole zLa parole : ensemble codé des « signes vocaux » que les humains utilisent pour communiquer entre eux. comprendre >> entendre zLa langue : pas un répertoire … mais une organisation particulière des données de l’expérience d’une communauté  Les sons types : André Martinet 34 phonèmes 3 parisien> phonèmes z sons de voyelles ‡ sons de consonnes

16 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique psychologique : Comment quantifier une sensation auditive ? zEtablir des relations quantitatives entre un stimulus physiquement mesurable et ce que perçoit, ressent le système auditif perceptions, sensations auditives zrelations jamais bi-univoques … même pour les sons purs ! zpire pour les sons réels très complexes, fluctuants, liés... !

17 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique psychologique : 2/4 Les caractères des sensations auditives zSonie : 1 sone à 1000 Hz avec NI = 40dB zNiveau de sonie :à 1000 Hz NS (phones)  NI (dB) zTonie, Hauteur :1 mel  1 Hz … mais !  Intervalle fréquentiel :  N en octave, 1/3, 1/12 zTimbre :contenu fréquentiel + … zDurée :peut influer sur la sonie, la tonie zDifférences interaurales :permettent la localisation spatiale

18 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique psychologique : 3/4 (1) Courbes d’isosonie ( Fletcher - Munson )

19 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique psychologique : 4/4 Effet de masque ( Zwicker )

20 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Applications I : Maîtrise du bruit (transports, habitat, industrie)  Bruits de moteurs à explosion, réacteurs : silent blocks, capitonnage, atténuateur ( 1 ) zBruit dans l’habitacle : air ? moteur ? alternateur ? turbo ?  Bruits dans l’habitat : canalisation, collectivité, environnement, roulement (automobile, métro, train, avion...) ( 2,3,4,5 )  Bruits industriels de machines : diffuseur/translateur de fréquence ( 6 ), plots antivibratiles, capotage, écran ( 7 ), filtrage, interférences ( 8 ) … protections individuelles ? zVibrations mécaniques intenses : satellite dans Ariane V

21 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Bruits solidiens Bruits de canalisations

22 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Bruits aériens Bruits guidés

23 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Capot, écran, matériaux...

24 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

25 Applications II : Environnement sonore - Acoustique des locaux zCroissance / Décroissance du son : loi de # charge/décharge  Adaptation acoustique des locaux : cathédrale, chambre, cinéma, classe, réfectoire, salle de concert, studio, théâtre … géométrie ( 1 ), matériaux, volume … budget !  Approche de W. Sabine : temps de réverbération / - 60dB T R = 0,161 V/aaveca =  i S i  i  coefficient d’absorption du matériau « i » a = pouvoir d’absorption des parois en « m 2 Sabine »  Exemple : Classe nue : (7x5x3) =105 m 3 (142 m 2 )  =0,1T R =1,19s Plafond traité :  i =0,3 (35 m 2 ) T’ R =0,80s

26 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Locaux : usage(s?), coût, volume, forme...

27 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Matériaux, filtres, résonateurs...

28 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

29 Applications III : Impact du bruit sur l’homme zConséquences : fatigue, stress, troubles psychiques, violence zBruit subi et « gratuit » : au poste de travail il existe des normes … < 85 dBA … + protections individuelles zBruit voulu et payant :«auto sono», baladeur, concert open, discothèque + DJ, «mobiles scotchés», pubs TV…limites ? zCivilisation sonore : audiovisuel + télécoms + transports + âge moyen - limites = surdité / correction / chirurgie

30 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

31 Pondérations selon les ambiances sonores

32 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

33 Applications IV : Synthèse de la parole - Reconnaissance vocale  Quelles informations ? Quels objectifs ? : * scientifiques ( traitement automatique de la parole) (1,2) * technologiques ( « pilotage » d’appareils à la voix ) * économiques ( serveurs vocaux ) * sécuritaires ( identification du locuteur ) * socio-linguistiques ( traduction automatique … UE ? ) Difficultés ?? taille du vocabulaire, mots isolés ou parole continue, consonnes, prosodie, locuteur(s ?), complexité des tâches … aspects perceptifs + aspects cognitifs

34 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Applications V : Enregistrement, Reproduction des sons  Sensibilité, directivité des microphones : 0,1Hz à 100 kHz 1,2  Performances, fidélité des hauts-parleurs : clarté, directivité, étendue couverte … prix ! 3,4 zPerformances des chaînes : opto-mécano-électro-acoustique + perchman, preneur de son, ingénieur « post prod » orateur, chanteur, instrumentiste… zDomaines techniques élargis : depuis cordes, cuivres, vent … jusqu’à CDAudio, DVD, enceintes, HiFi, Klavier, MP3, MPEGn, synthés...

35 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Applications VI : 1 L’Acoustique dépasse le son ! InfrasonsSonsUltrasons … zIndustrie automobile : filtrage de fréquences zIndustrie spatiale : malaises dans les vols habités zMultiples domaines : accéléromètres, actionneurs de pales d’hélicoptères, broyage, chirurgie, contrôle non destructif, dégazage, détecteurs de mouvement, écrans tactiles, imagerie médicale, microphones, modems à fréquences vocales, nettoyage, sonar, sonochimie, vélocimètres …+ physique des solides !!

36 Ecole d'été e2Phy Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC De la Physique du son … à l ’Art de s’en servir ! Conclusion z Scientifique Raisonnablement Sérieusement Artistique z Précis Large Etroit Evasif

37 Je rends à César... : la plupart des données et illustrations que j’ai choisies sont extraites des sources suivantes : Notices techniques - Bruël & Kjaer « Mediacoustic » - 01-dB Encyclopedia Universalis « Physical and applied acoustics » (E.Meyer/E.G.Neumann) Plaquettes commerciales (Audax, Cabasse, Infinity, Sennheiser…)

38 Vous qui étiez présents, je vous remercie pour votre qualité d’écoute et pour vos remarques ou questions... et je vous présente mes excuses pour mon mauvais timing qui vous a privés de la partie de l’exposé sans doute la plus attirante [ si besoin est … ]


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