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

De la Physique du son … à l’Art de s’en servir ! Plan de l’exposé Introduction 2 ’ Eléments d’Acoustique physique 6 ’ Eléments d’Acoustique physiologique 6 ’ Eléments d’Acoustique psychologique 5 ’ Exemples d’application #25 ’ Conclusion 1 ’ Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

Acoustique physique : 6 + 3 Le phénomène physique Son : perturbation de pression se propageant dans un milieu matériel élastique donc un « mix » : mécanique + ondes + thermodynamique Processus : état de compression / dilatation ... P, V varient T ? isotherme ? adiabatique ? Validation : mesures de la célérité dans  l’air Mots clés : amortissement, amplitude, compressibilité, déplacement, élasticité, énergie, fluide, fréquence, impédance, intensité, masse volumique, phase, pression, puissance, surface d’onde, viscosité, vitesse Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Acoustique physique : 2/6 ( 3 ) Les grandeurs physiques Fréquence N : de <20 Hz à >20 kHz 1 contenu fréquentiel : harmonique ? bande ? complexe? 2,3 Pression acoustique p : de <10 µPa à >200 Pa Puissance acoustique : de <1pW à >100 W Intensité acoustique I : de <1 pWm-2 à >100 Wm-2 Impédance acoustique spécifique : rc en Rayl Célérité du son : gaz ? liquide ? solide ? Directivité : facteur [2 J1(ka sinq)/ka sinq] ... Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Acoustique physique : 3/6 La difficulté spécifique Extensions gigantesques : * 3 ordres de grandeur en N * 7 ordres de grandeur en p * 14 ordres de grandeur en I Grandeurs logarithmiques * intervalle de N : log2[N2/N1] = 1 ou 1/3 octave * intensité : IL = LI =10 log1010[I / Iréf] en dB * pression : SPL = Lp = 20 log10 [p / préf] en dB Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

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

Domaine audio théorique Acoustique physique : 6/6 Domaine audio théorique Niveau … SPL / NI (dB) 140 200 100 Pression acoustique (Pa) Puissance acoustique (W) ? +0 Fréquence (Hz) 0+ 20000 Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Acoustique physiologique : 6 + 3 L’oreille L’oreille externe : pavillon + conduit auditif … tympan] air L’oreille moyenne : [ 3 osselets + Eustache ... fenêtres O et R ] air L’oreille interne : [ cochlée + vestibule + 3 canaux semi-circ. ... liquide on entend et, en plus, on tient debout ! Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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Acoustique physiologique : 3/6 L’ouïe Seuils : seuil d’audibilité 0 dB 10-12 Wm-2 ou # 2.10-5 Pa seuil de douleur 130 dB 10 Wm-2 ou # 32 Pa Milieux très différents : air impédance rc # 415 Rayl eau impédance rc # 1,5 MRayl Quantum acoustique : 50ms 0,3%(Hz) 1dB … au mieux ! 5 sens : de 1 à 4 kHz, c’est le plus performant ! Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

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

Acoustique physiologique : 6/6 ( 3 ) La parole La parole : ensemble codé des « signes vocaux » que les humains utilisent pour communiquer entre eux. comprendre >> entendre La langue : pas un répertoire … mais une organisation particulière des données de l’expérience d’un e communauté Les sons types : André Martinet 34 phonèmes 3 parisien>1940 31 phonèmes sons de voyelles ‡ sons de consonnes Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Acoustique psychologique : 4 + 1 Comment quantifier une sensation auditive ? Etablir des relations quantitatives entre un stimulus physiquement mesurable et ce que perçoit, ressent le système auditif perceptions, sensations auditives relations jamais bi-univoques … même pour les sons purs ! pire pour les sons réels très complexes, fluctuants, liés ... ! Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Acoustique psychologique : 2/4 Les caractères des sensations auditives Sonie : 1 sone à 1000 Hz avec NI = 40dB Niveau de sonie : à 1000 Hz NS (phones)  NI (dB) Tonie, Hauteur : 1 mel  1 Hz … mais ! Intervalle fréquentiel : DN en octave, 1/3, 1/12 Timbre : contenu fréquentiel + … Durée : peut influer sur la sonie, la tonie Différences interaurales :permettent la localisation spatiale Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

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

Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC Applications I : 5 + 8 Maîtrise du bruit (transports, habitat, industrie) Bruits de moteurs à explosion, réacteurs : silent blocks, capitonnage, atténuateur (1) Bruit 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 ? Vibrations mécaniques intenses : satellite dans Ariane V Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

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

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

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Applications II : 3 + 1 Environnement sonore - Acoustique des locaux Croissance / 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 TR = 0,161 V/a avec a = SaiSi ai = coefficient d’absorption du matériau « i » a = pouvoir d’absorption des parois en « m2 Sabine » Exemple : Classe nue : (7x5x3) =105 m3 (142 m2) a=0,1 TR=1,19s Plafond traité : ai=0,3 (35 m2) T’R=0,80s Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

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

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Applications III : 4 + 0 Impact du bruit sur l’homme Conséquences : fatigue, stress, troubles psychiques, violence Bruit subi et « gratuit » : au poste de travail il existe des normes … < 85 dBA … + protections individuelles Bruit voulu et payant :«auto sono», baladeur, concert open, discothèque + DJ, «mobiles scotchés», pubs TV…limites ? Civilisation sonore : audiovisuel + télécoms + transports + âge moyen - limites = surdité / correction / chirurgie Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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Pondérations selon les ambiances sonores Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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Applications IV : 1 + 2 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 Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Applications V : 1 + 4 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 Performances des chaînes : opto-mécano-électro-acoustique + perchman, preneur de son, ingénieur « post prod » + ... + orateur, chanteur, instrumentiste … Domaines techniques élargis : depuis cordes, cuivres, vent … jusqu’à CDAudio, DVD, enceintes, HiFi, Klavier, MP3, MPEGn, synthés ... Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

Applications VI : 1 L’Acoustique dépasse le son ! Infrasons Sons Ultrasons … Industrie automobile : filtrage de fréquences Industrie spatiale : malaises dans les vols habités Multiples 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 !! Ecole d'été e2Phy 2004 - Lille 25 Août 2004 JC.DAMIEN - USTL / ENIC

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

Notices techniques - Bruël & Kjaer « Mediacoustic » - 01-dB 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…)

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 … damien@enic.fr ]