Phonétique acoustique Les principes physiques de l`analyse
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Phonétique acoustique I. Les principes physiques de l’analyse acoustique Son : phénomène vibratoire qui se propage à une certaine vitesse dans un milieu élastique (en générale c’est l’air). Propagation d’ondes sonores. Un son, c’est une onde mécanique. Il existe électromagnétiques (lumière, micro-ondes, etc.). également des ondes Onde : propagation d’une perturbation dans un milieu matériel. Les ondes sont produites par des mouvements ondulatoires et elles résultent de la vibration d’un corps physique (= matériel). Le son se propage à 340 m/s dans l’air. Il existe deux types de vibrations : les vibrations apériodiques : Elles donnent un effet très peu musical (bruit du vent, coup de feu, consones [p, f, s…]). les vibrations périodiques : Elles sont répétitives, elles se reproduisent au bout d’un certain temps (ex : mouvement du pendule, corde d’une guitare ou cordes vocales quand elles vibrent, etc.) 1 1) Vibrations périodiques simples m = masse A = déplacement t = temps B et C = points extrêmes E = position d’équilibre EB = EC = A Amplitude maximale : déplacement de la masse m vers le point extrême (B ou C) Mouvement oscillatoire simple. Un corps présente un mouvement périodique lorsqu’à intervalles de temps égaux appelés période du phénomène, il reprend la même position dans les mêmes conditions. Courbe sinusoïdale Cycle d’oscillation = ECEBE = Période t0 = E ; t1 = C ; t2 = E ; t3 = B ; t4 = E Amplitude : déplacement maximal autour de la position d’équilibre (c'est-à-dire distance entre E et B ou entre E et C) Les sons se caractérisent par quatre points : La hauteur : grave ou aigu (elle dépend de la fréquence) L’intensité : fort ou faible (elle dépend de l’amplitude) 2 le timbre (il dépend de la forme de la courbe) la durée : long ou court (temps en secondes) Cycle d’oscillation : mouvement effectué par la masse à partir d’un point pour revenir à ce point dans les mêmes conditions, on le note « c ». Période : T : temps mis par le corps pour effectuer un cycle complet d’oscillations (en secondes). Fréquence : F : nombre de périodes ou de cycles complets par seconde (en Hz) De la fréquence dépend la hauteur du signal. Son grave Son aigu Plus la fréquence est grande plus le son est aigu. 1s 100 = 1 1ds 10-1s = 0,1s 1cs 10-2s = 0,01s 1ms 10-3s = 0,001s 1s 10-6s = 0, 000001s L’amplitude A est exprimée en dB. 10 cycles par seconde (c/s) 1/10 s 100 c/s 1/1OO s 400 c/s 1/400 s D’où F (en Hz) = 1/T (en s) Fréquence de résonance 3 2) Vibrations périodiques complexes [u] [a] La différence entre deux ondes périodiques complexes est le timbre (profil de la courbe). Les mouvements non périodiques ne sont pas prévisibles, contrairement aux mouvements périodiques Analyse fréquentielle : Théorème de Fourier : « Toute onde périodique peut être décomposée en un certain nombre d’ondes sinusoïdales simples appelées composantes, ayant des fréquences 1, 2, 3, …, n fois celles d’une fréquence de base appelé « fondamentale », égale à l’inverse de la période du phénomène. Les composantes sont appelées harmoniques ». La fréquence fondamentale est notée F0. Le premier harmonique est noté 2F0. Le deuxième harmonique est noté 3F0. Le troisième harmonique est noté 4F0. On peut diviser une onde complexe en plusieurs ondes simples. 1 2 3 1+2+3 = 4 4 Simple : - F = 400 Hz - t = 1s - A = 60 dB Complexes : - t = 5s - F1 = 200 Hz - A1 = 40 dB - t = 5s F2 = 400 Hz A2 = 60 dB - t = 5s F3 =600 Hz L’onde complexe peut être décomposée en trois composantes d’amplitude déterminée, l’une de fréquence de 200 Hz qui est le fondamental (ou harmonique 1) et les autres de fréquences multiples du fondamental : 2 x200 Hz et 3 x 200 Hz. L’onde complexe peut être reconstruite si on connaît la fréquence fondamentale et l’amplitude des composantes (harmoniques). Pour ne pas avoir à dessiner un grand nombre d’ondes, on emploie le spectre. Ex : A1 = 60 dB F1 = 200 Hz A2 = 20 dB F2 = 400 Hz A3 = 40 dB F3 = 600 Hz Spectre à raies (bidimensionnel). Plus la période (fondamental) est grande, plus les harmoniques sont rapprochées (puisqu’ils sont des multiples du fondamental). 5 Sonagramme : fréquence/temps/amplitude (tridimensionnel) Selon la noirceur du trait, on détermine l’amplitude. 3) Vibrations apériodiques Mouvements anarchiques, irréguliers, qui ne se répètent pas dans le temps. Vibrations apériodiques impulsionnelles : sons très brefs. Dans ce cas la période est infiniment grande et donc les harmoniques sont infiniment rapprochées : ils sont tous présents. Au niveau Fréquence/Amplitude représentation par un courbe d’enveloppe. Au niveau de la représentation Temps/Amplitude, on a : 6 Ça correspond aux consonnes sourdes, aux explosives, au occlusives, aux clics (consonnes prononcées en inspirant l’air). Vibrations apériodiques continues Anarchique, irrégulier Ce sont des vibrations impulsionnelles qui se répètent = suite irrégulière de vibrations impulsionnelles. Ex : le vent dans les feuilles 4) Vibrations libres et forcées, la résonance Tout système a sa fréquence propre, c’est la fréquence de résonance. les forces de frottement de l’air font que l’amplitude décroît jusqu’à l’arrêt complet du système. 7 a) Vibrations libres amorties Sous l'effet des forces de frottement, l'amplitude des vibrations diminue (mais la fréquence reste la même. On appelle ça oscillations libres amorties. C'est la situation la plus générale. b) Vibrations libres entretenues C'est quand on rajoute de l'énergie pour maintenir stable/constante l'amplitude. C'est une force extérieure qui le fait. Celle-ci est plus petite que la force du système. Il y a compensation exacte des forces de frottement. La force requise pour conserver le système est inférieure à celle nécessaire pour le créer. C'est le phénomène de résonance. C'est lui qui permet de définir les timbres des sons du langage. c) Vibrations forcées C'est quand on rajoute plus d'énergie qu'il n'en faut au système. Plus on veut aller au-delà du point d'énergie, plus on rajoute de l'énergie ; plus on veut se rapprocher de la fréquence naturelle du système, moins on rajoute d'énergie. Ajout d'énergie 8 II. Caractéristiques physiques et perceptives des sons Pour qu’il y ait un son, il faut une vibration qui se propage du lieu d’émission vers le lieu de réception (oreille). La vitesse du son dans l’air est de 340 m/s. Moins le milieu est souple, plus le son se propage vite. Dans l’eau, la vitesse du son est de 1500 m/s (donc l’eau est un milieu plus souple que l’air). Le béton est un excellent conducteur : v = 4000 m/s, le fer aussi : v = 6000 m/s. La vitesse de propagation est proportionnelle au milieu. Nos doigts peuvent également percevoir des vibrations, mais pas toutes. L’oreille peut percevoir trois dimensions possibles : le temps (durée) la hauteur (fréquence) l’intensité (amplitude) 1) Sons périodiques simples a) Hauteur On a un son aigu lorsque la fréquence de vibration est haute. On a un son grave lorsque la fréquence de vibration est basse. Notre oreille n’entend pas toutes les vibrations. Elle réagit seulement aux fréquences comprises entre 16 Hz et 16 000 Hz (= 16 KHz). Cet intervalle est appelé gamme des fréquences sonores ou acoustiques. En dessous de 16 Hz, ce sont les infrasons et au dessus de 16 KHz, ce sont les ultrasons. infrasons 16 Hz sons ultrasons 16 000 Hz grave aigu À 16 Hz, on a la note ut, ce qui correspond au do le plus grave donné par l’orgue. L’écart entre les fréquences s’appelle octave. Schéma de l’échelle sonore 9 16 KHz correspondent à dix octaves. -1 ut correspond à la voix la plus grave possible. Le la est à 440 Hz (note du téléphone) ut 3 ‹ la < ut 4 Schéma Les sons ut -1 à ut 9 n’existent que pour l’orgue. b) Intensité 10
