Signaux sonores1 Les Signaux Sonores A. Quidelleur SRC1 Meaux Culture Scientifique et Traitement de l’Information Module – Les Systèmes Audiovisuels.

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1 Signaux sonores1 Les Signaux Sonores A. Quidelleur SRC1 Meaux 2007-2008 Culture Scientifique et Traitement de l’Information 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 d’un 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 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

6 Signaux sonores6 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 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 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

8 Signaux sonores8 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 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 d’un 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 n’est 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 d’un signal sinusoïdal centré d’amplitude Smax.

10 Signaux sonores10 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 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 n’est 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 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

16 Signaux sonores16 Spectre d’un bruit quelconque L I =20log(p/2.10 -5 ) fréquences Spectre du bruit émis par un avion à hélices avec et sans contrôle acoustique actif CAA

17 Signaux sonores17 Les caractéristiques physiques d’un signal sonore

18 Signaux sonores18 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

19 Signaux sonores19 Niveau d’Intensité Sonore Définition : L I = 10log(I/I 0 ) (en dB) avec I 0 =10 -12 W.m -2 I est l’intensité sonore. Unité: W/m 2 C’est l’énergie 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 l’oreille à l’écoute d’un son d’intensité I.  « La sensation de l’oreille varie comme le logarithme de l’excitation »

20 Signaux sonores20 Niveau d’Intensité Sonore L I = 10log(I/I 0 ) La source O émet la puissance P (en Watt). 1m 2 de sphère reçoit l’énergie I.  P

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

22 Signaux sonores22 Niveau d’Intensité Sonore X  excitation y = x-1 y=log(x)  sensation Sensation proportionnelle à l’Excitation Sensation proportionnelle au logarithme de l’Excitation I/I0L I =10log(I/I0) (en dB) 10 10020 100030 +10x10 +10

23 Signaux sonores23 Niveau d’intensité sonore et risques pour l’audition

24 Signaux sonores24 Eléments de Psycho Acoustique

25 Signaux sonores25 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 ?

26 Signaux sonores26 Champ auditif humain 1 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 Question : quelle la bande passante du RTC ? Commentez…

27 Signaux sonores27 I ( Wm -2 ) p ( Pa) L I (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

28 Signaux sonores28 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) L I (dB) Seuil d’audibilité Seuil de douleur

29 Signaux sonores29 Utilisation des propriétés de l’isosonie 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 L’oreille humaine

31 Signaux sonores31 Transmission du signal « Trois oreilles » : l’oreille externe, l’oreille moyenne, l’oreille interne

32 Signaux sonores32 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

33 Signaux sonores33 ④ Le marteau ⑤ L’enclume ⑥ L’étrier Adaptation d’impédance 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 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

34 Signaux sonores34 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

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  http://www.bernafon.comhttp://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