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Signaux sonores 1
Les Signaux Sonores
A. QuidelleurSRC1 Meaux 2007-2008
Culture Scientifique et Traitement de l’InformationModule – Les Systèmes Audiovisuels et les Systèmes
de Transmission
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Signaux sonores 2
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
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Signaux sonores 3
Plan
Les différentes pressions
Les spectres des signaux sonores
Les caractéristiques physiques d’un signal sonore
Eléments de Psycho Acoustique
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Signaux sonores 4
Les différentes pressions
La pression atmosphérique La pression acoustique instantanée La pression acoustique
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Signaux sonores 5
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
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Signaux sonores 6
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
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Signaux sonores 7
Variation de la pression atmosphérique
Onde de surpression et de dépressionVariables = ‘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
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Signaux sonores 8
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 P0 = 105Pa, en fonction du temps.p(t) = P(t) – P0
Ordres de grandeur Jardin tranquille :
pmax=3mPa Conversation courante:
pmax=30mPa Tonnerre: pmax=30 Pa
P0
(105 Pa)
00 t
Pression atmosphérique P(t)
00 t
Pression acoustique instantanée p(t) = P(t) – P0
p(t1)
p(t2)t1t2
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Signaux sonores 9
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 :
Propriétés 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.
tsS 2eff
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Signaux sonores 10
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
temps
10 5 P(t)
p(t)00
B1
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Signaux sonores 11
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).
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Signaux sonores 12
La pression acoustique
On appelle pression acoustique la valeur efficace de la pression acoustique instantanée p(t) et on la note p.
tpp 2
t00
p(t)
B1eff
B2eff
Exemple : B2eff>B1eff : le son B2 est « plus fort » que le son B1
Ordres de grandeur Jardin tranquille :
p=2mPaConversation courante: p=20mPaTonnerre: p=20 Pa
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Signaux sonores 13
Les spectres des signaux sonores
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Signaux sonores 14
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
f440H
z0
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Signaux sonores 15
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
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Signaux sonores 16
Spectre d’un bruit quelconque
LI=20log(p/2.10-5)
fréquences
Spectre du bruit émis par un avion à hélices avec et sans contrôle acoustique actif CAA
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Signaux sonores 17
Les caractéristiques physiques d’un signal sonore
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Signaux sonores 18
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
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Signaux sonores 19
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 »
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Signaux sonores 20
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
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Signaux sonores 21
Niveau d’Intensité Sonore
Excitation I
Sensation LI = 10log(I/I0)
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Signaux sonores 22
Niveau d’Intensité Sonore
X excitation
y = x-1y=log(x) sensation
Sensation proportionnelleà l’Excitation
Sensation proportionnelleau logarithme de l’Excitation
I/I0 LI=10log(I/I0)(en dB)
10 10
100 20
1000 30
+10x10
x10 +10
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Signaux sonores 23
Niveau d’intensité sonore et risques pour l’audition
Décollage de la fusée Ariane 180Turbo – réacteur 140Coup de fusil 130 Bancs d’essai moteurs Seuil de la douleurPassage d’une Formule 1 120 Marteau piqueurOrchestre de musique Pop 110 Atelier de chaudronneriePassage d’un train en gare 100 Scies circulairesWalkman volume à fond 90 Ponceuses PrésuméRadio à fond 80 Machine à tailler les outillagesRestaurant bruyant 70 Bureau avec machines à écrire Travail de bureau difficileConversation animée 60 Bureau bruyantConversation calme 50 Grand bureau calme Travail intellectuel pénibleAppartement tranquille 40 Petit bureau calmePromenade en forêt 30Campagne paisible 20Studio d’enregistrement 10Silence 0 Seuil d’audibilité
Avéré
Aucun
AU QUOTIDIEN NIVEAU SONORE
(dB)
AU TRAVAIL LES EFFETS RISQUE
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Signaux sonores 24
Eléments de Psycho Acoustique
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Signaux sonores 25
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 ?
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Signaux sonores 26
Champ auditif humain
1
10-2
10-4
10-6
10-8
10-10
10-12
Question : quelle la bande passante du RTC ? Commentez…
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Signaux sonores 27
I ( Wm-2)p ( Pa) LI (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
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Signaux sonores 28
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) LI (dB)
Seuil d’audibilité
Seuil de douleur
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Signaux sonores 29
Utilisation des propriétés de l’isosonie en compression audio
( Wm-2)p ( Pa) LI (dB)musique
Son inaudible
Se séparer des infos
superflues?
Se séparer des infos
superflues?
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Signaux sonores 30
L’oreille humaine
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Signaux sonores 31
Transmission du signal
« Trois oreilles » : l’oreille externe, l’oreille moyenne, l’oreille interne
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Signaux sonores 32
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
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Signaux sonores 33
④ Le marteau⑤ L’enclume⑥ L’étrier
Adaptation d’impédance entre le milieu « air » et le milieu « liquide »
Amplification des signaux acoustiques de 25 dB environ (rapport des surfacesdu 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
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Signaux sonores 34
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
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Signaux sonores 35
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
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Signaux sonores 36
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