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.


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 ’


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 …


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


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


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



Octaves et 1/3 d’octaves


Quelques valeurs

repères

5/6

Niveau

préf ??


+0200 100

0

Fréquence (Hz)

0+ 20000

Pression acoustique

(Pa)

Puissance acoustique

(W)


Domaine audio théorique

Niveau …

SPL / NI (dB)

140

?


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 !


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 !


Acoustique physiologique : 4/6 ( 1 )

Domaine audible effectif


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 !


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


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 ... !


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


Acoustique psychologique : 3/4 (1)

Courbes d’isosonie ( Fletcher - Munson )


Acoustique psychologique : 4/4

Effet de masque ( Zwicker )


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


Bruits solidiens

Bruits de canalisations


Bruits aériens

Bruits guidés


Capot, écran, matériaux ...


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


Locaux :

usage(s?), coût, volume, forme ...


Matériaux, filtres, résonateurs ...


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


Pondérations selon les

ambiances sonores


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


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 ...


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 !!


De la Physique du son … à l ’Art de s’en servir !

Conclusion

Scientifique

Raisonnablement Sérieusement

Artistique

Précis

Large Etroit

Evasif


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…)


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] ]

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

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