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Signaux sonores1 Les Signaux Sonores A. Quidelleur SRC1 Meaux 2007-2008 Culture Scientifique et Traitement de lInformation Module – Les Systèmes Audiovisuels.

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1 Signaux sonores1 Les Signaux Sonores A. Quidelleur SRC1 Meaux Culture Scientifique et Traitement de lInformation Module – Les Systèmes Audiovisuels et les Systèmes de Transmission

2 Signaux sonores2 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

3 Signaux sonores3 Plan Les différentes pressions Les spectres des signaux sonores Les caractéristiques physiques dun signal sonore Eléments de Psycho Acoustique

4 Signaux sonores4 Les différentes pressions La pression atmosphérique La pression acoustique instantanée La pression acoustique

5 Signaux sonores5 Généralités Audibles par loreille humaine Issus de la vibration dun émetteur (corde de guitare, cordes vocales, vibration tranches dair, membrane de haut-parleur…) Correspondent à des variations de la pression atmosphérique

6 Signaux sonores6 La pression atmosphérique Elle est liée au nombre de molécules dair présentes à leur agitation thermique Elle est mesurée avec un manomètre Unité: le Pascal Pa La Pression atmosphérique moyenne est de lordre de 10 5 Pa Organisation statistique des "molécules d'air" en l'absence de bruit

7 Signaux sonores7 Variation de la pression atmosphérique Onde de surpression et de dépression Variables = x et t Pas de déplacement macroscopique de la matière Sans matière, pas de signal sonore Vitesse de propagation de londe sonore dans lair : v = 340 m/s (dépend des conditions expérimentales) Question : Dans de nombreux films de science fiction, les combats dans lespace sont illustrés de bruits de tir et dexplosion. Quen pensez-vous? Instant : t1 t2 t3 t4 t5 Source de bruit x

8 Signaux sonores8 Dépression : p(t)<0 Surpression : p(t)>0 Pression acoustique instantanée p(t) Cest la grandeur qui traduit la variation de la pression atmosphérique P(t), relativement à la Pression atmosphérique moyenne P 0 = 10 5 Pa, en fonction du temps. p(t) = P(t) – P 0 Ordres de grandeur Jardin tranquille : pmax=3mPa Conversation courante: pmax=30mPa Tonnerre: pmax=30 Pa P 0 (10 5 Pa) 0 0t Pression atmosphérique P(t) 0 0t Pression acoustique instantanée p(t) = P(t) – P 0 p(t1) p(t2) t1 t2

9 Signaux sonores9 Définition de la valeur efficace dun signal Soit s(t) un signal. La valeur efficace S eff de s(t) est la racine carré de la valeur moyenne de s(t) préalablement élevée au carré : Propriétés S eff = 0 si et seulement si pour tout t, s(t) = 0 (signal toujours nul) Si s nest pas un signal nul, S eff > 0 Si pour tout t, s1(t) > s2(t) alors S1 eff > S2 eff Exercice : Calculez la valeur efficace dun signal sinusoïdal centré damplitude Smax.

10 Signaux sonores10 Introduction à la notion de pression acoustique Un bruit sera dautant plus fort que la pression atmosphérique instantanée aura des variations plus importantes de part et d'autre de P 0 = 10 5 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) 0 0 B1

11 Signaux sonores11 Introduction à la notion de pression acoustique La valeur moyenne de la pression acoustique des bruits B1 et B2 est nulle : ce nest pas un bon indicateur du niveau de bruit. Pour mesurer le niveau de bruit, on utilise la valeur efficace de p(t).

12 Signaux sonores12 La pression acoustique On appelle pression acoustique la valeur efficace de la pression acoustique instantanée p(t) et on la note p. t 0 0 p(t) B1eff B2eff Exemple : B2 eff >B1 eff : le son B2 est « plus fort » que le son B1 Ordres de grandeur Jardin tranquille : p=2mPa Conversation courante: p=20mPa Tonnerre: p=20 Pa

13 Signaux sonores13 Les spectres des signaux sonores

14 Signaux sonores14 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 f 440Hz 0

15 Signaux sonores15 Spectre de la voix Le flux dair 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 Whod Fréquences en abscisse Les deux premiers formants de chaque syllabe

16 Signaux sonores16 Spectre dun bruit quelconque L I =20log(p/ ) fréquences Spectre du bruit émis par un avion à hélices avec et sans contrôle acoustique actif CAA

17 Signaux sonores17 Les caractéristiques physiques dun signal sonore

18 Signaux sonores18 Hauteur dun 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

19 Signaux sonores19 Niveau dIntensité Sonore Définition : L I = 10log(I/I 0 ) (en dB) avec I 0 = W.m -2 I est lintensité sonore. Unité: W/m 2 Cest lénergie émise par unité de surface. Elle est proportionnelle à la pression acoustique au carré : p 2 (onde progressive sphérique ou plane). L I est la grandeur physique qui est censée bien représenter la sensation de loreille à lécoute dun son dintensité I. « La sensation de loreille varie comme le logarithme de lexcitation »

20 Signaux sonores20 Niveau dIntensité Sonore L I = 10log(I/I 0 ) La source O émet la puissance P (en Watt). 1m 2 de sphère reçoit lénergie I. P

21 Signaux sonores21 Niveau dIntensité Sonore Excitation I Sensation L I = 10log(I/I 0 )

22 Signaux sonores22 Niveau dIntensité Sonore X excitation y = x-1 y=log(x) sensation Sensation proportionnelle à lExcitation Sensation proportionnelle au logarithme de lExcitation I/I0L I =10log(I/I0) (en dB) x10 +10

23 Signaux sonores23 Niveau dintensité sonore et risques pour laudition

24 Signaux sonores24 Eléments de Psycho Acoustique

25 Signaux sonores25 Champ auditif humain Exercice Complétez léchelle à droite du graphe Quelles sont les fréquences minimales et maximales audibles ? Quelle est la bande passante dune voix ? Dun morceau de musique ?

26 Signaux sonores26 Champ auditif humain Question : quelle la bande passante du RTC ? Commentez…

27 Signaux sonores27 I ( Wm -2 ) p ( Pa) L I (dB) Seuil daudibilité Seuil de douleur Courbes de Fletcher et Munson = Courbes dégales 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 loreille varie avec la fréquence Sensibilité moins forte aux basses et hautes fréquences

28 Signaux sonores28 Courbes de Fletcher et Munson Exercice : A quel niveau dintensité sonore doit-on émettre un son de fréquence 100Hz pour quil soit perçu avec la même force quun son de 1000Hz et dintensité 20dB ? ( Wm -2 ) p ( Pa) L I (dB) Seuil daudibilité Seuil de douleur

29 Signaux sonores29 Utilisation des propriétés de lisosonie en compression audio ( Wm -2 ) p ( Pa) L I (dB) musique Son inaudible Se séparer des infos superflues? Se séparer des infos superflues?

30 Signaux sonores30 Loreille humaine

31 Signaux sonores31 Transmission du signal « Trois oreilles » : loreille externe, loreille moyenne, loreille interne

32 Signaux sonores32 Le pavillon : capte et concentre les ondes sonores 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 Le tympan : membrane fine qui transmet lénergie acoustique à la chaîne des osselets sous forme dénergie mécanique Loreille externe

33 Signaux sonores33 Le marteau Lenclume Létrier Adaptation dimpédance entre le milieu « air » et le milieu « liquide » Amplification des signaux acoustiques de 25 dB environ (rapport des surfaces du tympan et de la platine de létrier) Protection de loreille interne La chaîne des osselets : assure une transmission globale des vibrations tympaniques au liquide de loreille interne par vibration de la fenêtre ovale = capteur du microphone Trompe dEustache (égalisation de pression) Fenêtre ovale Loreille moyenne

34 Signaux sonores34 La cochlée ou limaçon : est le siège des cellules ciliées auditives (environ 24000) fonctionnant à la manière dun transducteur dénergie mécanique en énergie nerveuse Le nerf auditif Les canaux semi-circulaires (équilibre) Liquide: (périlymphe) Fenêtre ovale Loreille interne

35 Signaux sonores35 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

36 Signaux sonores36 Bibliographie Acoustique physiologique et éléments de perception psycho acoustique, Eugène MPaya Kitantou, Techniques et production audiovisuelles, INA Les instruments de lorchestre, Bibliothèque POUR LA SCIENCE


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