de la physique du son … à l’art de s’en servir ! jean-claude damien professeur - dr. ès sc

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.

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 !

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 … damien@enic.fr ]