Les signaux sonores 2007 2008

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
Signaux sonores
1
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
Signaux sonores
2
Plan

Les différentes pressions

Les spectres des signaux sonores

Les caractéristiques physiques d’un signal sonore

Eléments de Psycho Acoustique
Signaux sonores
3
Les différentes pressions
 La pression atmosphérique
 La pression acoustique instantanée
 La pression acoustique
Signaux sonores
4
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
Signaux sonores
5
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 105Pa
Organisation statistique des
"molécules d'air" en
l'absence de bruit
Signaux sonores
6
Variation de la pression atmosphérique
Source de bruit
Instant :
t1
t2
t3
t4
t5
x





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?
Signaux sonores
7
Pression acoustique instantanée p(t)


C’est la grandeur qui traduit la
variation de la pression
atmosphérique P(t), relativement
P0
à la Pression atmosphérique
5 Pa)
(10
moyenne P0 = 105Pa, en fonction
du temps.
p(t) = P(t) – P0
0
0
Ordres de grandeur



Jardin tranquille : pmax=3mPa
Conversation courante:
Surpression :
pmax=30mPa
p(t)>0
Tonnerre: pmax=30 Pa
Pression atmosphérique
P(t)
p(t1)
t1
t2
p(t2)
t
Pression acoustique instantanée
p(t) = P(t) – P0
0
Dépression : 0
p(t)<0
Signaux sonores
t
8
Définition de la valeur efficace d’un signal


Soit s(t) un signal.
La valeur efficace Seff de s(t) est la racine carré de la valeur
moyenne de s(t) préalablement élevée au carré :
S eff 

Propriétés




s 2 t 
Seff = 0 si et seulement si pour tout t, s(t) = 0 (signal toujours nul)
Si s n’est pas un signal nul, Seff > 0
Si pour tout t, s1(t) > s2(t) alors S1eff > S2eff
Exercice : Calculez la valeur efficace d’un signal sinusoïdal
centré d’amplitude Smax.
Signaux sonores
9
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 P0= 105 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
10
5
0

B1
temps
0
Signaux sonores

P(t)
p(t)
10
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).
Signaux sonores
11
La pression acoustique

On appelle pression acoustique la valeur efficace de la
pression acoustique instantanée p(t) et on la note p.
p

p(t)
p 2 t 
Exemple : B2eff>B1eff : le son B2
est « plus fort » que le son B1

B2eff
B1eff
0
0
Ordres de grandeur
Jardin tranquille : p=2mPa
Conversation courante:
p=20mPa
Tonnerre: p=20 Pa
t
Signaux sonores
12
Les spectres des signaux sonores
Signaux sonores
13
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)
0
440Hz

Son complexe : signal périodique
dont le spectre contient plusieurs
coefficients non nuls.

Ex. : La grave sur un piano
f
Signaux sonores
14
Spectre de la voix


heed
heed
Le flux d’air provenant des
poumons est périodiquement
interrompu par les vibrations des
cordes vocales  il en résulte un
son.
hard
Le conduit vocal possède une
réponse en fréquence qui
comprend des fréquences de
résonance : les formants.

Who’d
 Les fréquences des formants
apparaissent comme des pics dans
le spectre du son émis au niveau
des lèvres.
Signaux sonores
Fréquences en abscisse
Les deux premiers formants
de chaque syllabe
15
Spectre d’un bruit quelconque
LI=20log(p/2.10-5)
Spectre du bruit émis par un
avion à hélices avec et sans
contrôle acoustique actif CAA
fréquences
Signaux sonores
16
Les caractéristiques physiques
d’un signal sonore
Signaux sonores
17
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
Signaux sonores
18
Niveau d’Intensité Sonore

Définition : LI = 10log(I/I0) (en dB)
avec I0=10-12 W.m-2





I est l’intensité sonore. Unité: W/m2
C’est l’énergie émise par unité de surface.
Elle est proportionnelle à la pression acoustique au carré : p2
(onde progressive sphérique ou plane).
LI 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 »
Signaux sonores
19
Niveau d’Intensité Sonore



LI = 10log(I/I0)
La source O émet la puissance P (en Watt).
1m2 de sphère reçoit l’énergie I.
P
I
Signaux sonores
20
Niveau d’Intensité Sonore
Sensation
LI = 10log(I/I0)
Excitation I
Signaux sonores
21
Niveau d’Intensité Sonore
Sensation proportionnelle
à l’Excitation
I/I0
LI=10log(I/I0)
(en dB)
10
Sensation proportionnelle
au logarithme de l’Excitation
x10
x10
y = x-1
y=log(x)  sensation
Signaux sonores
100
1000
X  excitation
10
20
30
+10
+10
22
Niveau d’intensité sonore et risques pour
l’audition
AU QUOTIDIEN
NIVEAU
SONORE
(dB)
Décollage de la fusée Ariane
Turbo – réacteur
Coup de fusil
Passage d’une Formule 1
Orchestre de musique Pop
Passage d’un train en gare
Walkman volume à fond
Radio à fond
Restaurant bruyant
Conversation animée
Conversation calme
Appartement tranquille
Promenade en forêt
Campagne paisible
Studio d’enregistrement
Silence
180
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
AU TRAVAIL
Bancs d’essai moteurs
Marteau piqueur
Atelier de chaudronnerie
Scies circulaires
Ponceuses
Machine à tailler les outillages
Bureau avec machines à écrire
Bureau bruyant
Grand bureau calme
Petit bureau calme
LES EFFETS
Seuil de la douleur
RISQUE
Avéré
Présumé
Travail de bureau difficile
Travail intellectuel pénible
Aucun
Seuil d’audibilité
Signaux sonores
23
Eléments de Psycho Acoustique
Signaux sonores
24
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 ?
Signaux sonores
25
Champ auditif humain

Question : quelle la bande passante du RTC ? Commentez…
1
10-2
10-4
10-6
10-8
10-10
10-12
Signaux sonores
26
Courbes de Fletcher et Munson


= Courbes d’égales sensations
sonores = Courbes isosoniques
Tracé des courbes :


p ( Pa)
LI (dB)
Seuil de douleur
I ( Wm-2)
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.
Seuil d’audibilité


A niveau fixé, la sensation de
l’oreille varie avec la fréquence
Sensibilité moins forte aux
basses et hautes fréquences
Signaux sonores
27
Courbes de Fletcher et Munson
p ( Pa)
LI (dB)
Seuil de douleur
I ( Wm-2)
Seuil d’audibilité

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 ?
Signaux sonores
28
Utilisation des propriétés de l’isosonie en
compression audio
musique
Se séparer
des infos
superflues?
p ( Pa)
LI (dB)
I ( Wm-2)
Se séparer
des infos
superflues?
Son inaudible
Signaux sonores
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L’oreille humaine
Signaux sonores
30
Transmission du signal

« Trois oreilles » : l’oreille externe, l’oreille moyenne, l’oreille
interne
Signaux sonores
31
L’oreille externe
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
Signaux sonores
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L’oreille moyenne
Fenêtre ovale
Trompe d’Eustache (égalisation de pression)
④ Le marteau
⑤ L’enclume
⑥ L’étrier
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
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
Signaux sonores
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L’oreille interne
Les canaux semi-circulaires (équilibre)
Liquide: (périlymphe)
Fenêtre ovale
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
Signaux sonores
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Cheminement du « signal sonore »
rampe vestibulaire
(avec Périlymphe)
Basses Fréquences
membrane de Reissner
membrane tectorienne
(stimule les cellules ciliées)
cellule ciliée
fibre nerveuse
membrane basilaire
Hautes Fréquences
rampe tympanique
Coupe du conduit du limaçon
Perception des
fréquences sur la
cochlée
Signaux sonores
35
Bibliographie
 http://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
Signaux sonores
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