de la physique du son … à l’art de s’en servir ! jean-claude damien professeur - dr. ès sc
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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 !
Jean-Claude DAMIEN
Professeur - Dr. ès Sc.
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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 ’
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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 …
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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
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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 : c en Rayl Célérité du son : gaz ? liquide ? solide ?
Directivité : facteur [2 J1(ka sin)/ka sin
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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
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Acoustique physique : 4/6
Octaves et 1/3 d’octaves
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Quelques valeurs
repères
5/6
Niveau
préf ??
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+0200 100
0
Fréquence (Hz)
0+ 20000
Pression acoustique
(Pa)
Puissance acoustique
(W)
Acoustique physique : 6/6
Domaine audio théorique
Niveau …
SPL / NI (dB)
140
?
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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 !
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Acoustique physiologique : 3/6
L’ouïe
Seuils : seuil d’audibilité 0 dB 10-12 Wm-2 ou # 2.10-5 Paseuil de douleur 130 dB 10 Wm-2 ou # 32 Pa
Milieux très différents :air impédance c # 415 Rayleau impédance c # 1,5 MRayl
Quantum acoustique : 50ms 0,3%(Hz) 1dB … au mieux !
5 sens : de 1 à 4 kHz, c’est le plus performant !
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Acoustique physiologique : 4/6 ( 1 )
Domaine audible effectif
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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 !
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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
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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 ... !
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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 : N en octave, 1/3, 1/12
Timbre : contenu fréquentiel + …
Durée : peut influer sur la sonie, la tonie
Différences interaurales :permettent la localisation spatiale
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Acoustique psychologique : 3/4 (1)
Courbes d’isosonie ( Fletcher - Munson )
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Acoustique psychologique : 4/4
Effet de masque ( Zwicker )
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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
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Bruits solidiens
Bruits de canalisations
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Bruits aériens
Bruits guidés
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Capot, écran, matériaux ...
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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 = iSi
i coefficient d’absorption du matériau « i »a = pouvoir d’absorption des parois en « m2 Sabine »
Exemple :Classe nue : (7x5x3) =105 m3 (142 m2) =0,1TR=1,19sPlafond traité : i=0,3 (35 m2) T’R=0,80s
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Locaux :
usage(s?), coût, volume, forme ...
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Matériaux, filtres, résonateurs ...
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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
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Pondérations selon les
ambiances sonores
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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
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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 ...
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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 !!
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De la Physique du son … à l ’Art de s’en servir !
Conclusion
Scientifique
Raisonnablement Sérieusement
Artistique
Précis
Large Etroit
Evasif
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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…)
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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 … [email protected] ]