Acoustique physiologique : des sons aux percepts associés

CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

Acoustique physiologique :

des sons aux percepts associés

Séminaire de Biophysique du C.N.E.B.M.N.

7 Novembre 2011

Dimitri PAPATHANASSIOU

Service de Médecine Nucléaire, Institut Jean Godinot, Reims

Faculté de Médecine, Université de Reims Champagne-Ardennes


Q.C.M. 1

Le seuil d’audibilité à 1000 Hz est :

1 2.10-3 Pa

2 2.10-5 W.cm2

4 0 dB

5 - 1 dB

3 1012 W.cm-2


Q.C.M. 2

Unités utilisées en acoustique :

1 Le sone est une unité de tonie

2 Le phone est une unité de sonie

3 Le mel est une unité de sonie

4 Le décibel est une unité de sonie

5 1 phone équivaut à 1 dB SPL quelle que soit la fréquence


Q.C.M. 3

Plusieurs machines dont chacune développe une puissance de W W.cm-2 correspondant à un niveau sonore de 90 dB sont utilisées en même temps

1 1 machine de plus causera +1 dB

2 2 machines produiront 93 dB





Q.C.M. 4

Sensations et caractéristiques physiques d’un son :

1 La sensation de hauteur n’est liée qu’à la fréquence

2 Le timbre est lié à l’amplitude des harmoniques

3 Le timbre est le plus souvent lié à la phase des harmoniques

4 On localise certains sons grâce à la différence dephase des ondes perçues par les deux oreilles


Acoustique physiologique :

des sons aux percepts associés


Introduction

Phénomène physique

Sensation

?

Comprendre, caractériser et quantifier les anomalies


PLAN

1 Physique des ondes sonores

2 Psychophysique

3 Sensations sonores




1.1 Nature d’un son

1.2 Grandeurs et propriétés

1.3 Catégories de sons

PLAN


Onde de pression longitudinale dans un milieu matériel élastique


compressiondépression


distance

temps



temps

distance

pression

pression

Longueur d’onde

= c / f

T = 1 / f

PériodeT

Célérité (vitesse de propagation de l’onde) c = / T

Phase

AmplitudeP0




Patm = 105 Pa

P0 = 2.10-5 à 20 Pa

atmosphérique :

Pression acoustique :

20 f (Hz)50 100 200 500 1000 2000 5000 10 k 20 k

Infrasons Ultrasons

piano

basse

soprano

voix

Gamme des fréquences audibles : 20 Hz à 20 kHz

fondamental harmoniques


Milieu c (m/s)

air

eau

340

1430

f (Hz) (air)

20

1000

17 m

34 cm

20000 17 mm

c : dépend de la densité ( ) et de la compressibilité du milieu

f : ne dépend pas du milieu



Énergie par unité de temps et de surface

Puissance acoustique (surfacique) :

en W.cm-2W =P0

2

C


Propagation d’une énergie mécanique

Onde de pression


Absorption

Diffraction

Réflexion


Interactions :


Onde sonore simple (son pur)

P(x,t) = P0 sin 2 ( - + ) xtT

P(t) = P0 sin 2 ( f t )



Onde périodique complexe :

pression

temps

superposition de sinusoïdes

pression

temps

amplitude

fréquence



Onde périodique complexe :

P(t) = P sin 2 (f t +)

+ P2 sin 2 ( 2 f t +2)

+ P3 sin 2 ( 3 f t +3)

+ Pn sin 2 ( n f t +n)

+ …

fondamental

harmoniques

Série de Fourier



t

pseudo-périodique

p


Son amorti :


p

fréquence

Son transitoire : non périodique

amplitude

t

Infinité de fréquences avec des amplitudes différentes



Spectrogramme temps/fréquence (sonogramme)

(Brillance : puissance)

f

énergie



BON J OUR MON SI EUR



Une onde sonore peut se caractériser par :

sa fréquence

son énergie

son spectre

sa phase



PLAN


2 Psychophysique


2 Psychophysique


fréquence

puissance

spectre

hauteur

force

timbre

Sensation Signal physique

directionphase

2 Psychophysique

Enjeux de la perception

s’orienter

communiquer

discriminer

quantifier

détecter


hauteur

force

timbre

Sensation

direction

2 Psychophysique

fréquence

puissance

spectre

Signal physique

phase

Enjeux de la perception

s’orienter

communiquer

discriminer

quantifier

détecter

Audiométrie tonale liminaire

fréquence

puissance détecter


Étude du lien entre stimulus (physique)

Psychoacoustique

2 Psychophysique

(mi-XIXème : Fechner)

et sensation (psychique)

Psychophysique

« Percept » : ce qui est perçu


Seuils

absolu (Is) :

différentiel (Is) :

différentiel relatif (Is/I)

I + Is autre sensation que I

2 Psychophysique

plus petit signal physique donnant une sensation

plus petite variation de signal physique donnant une sensation de variation


Variation de sensation = k Is/I

Stimulus

Sensation

Variation de sensation

Loi de Weber (1846) : Is/I = constante

2 PsychophysiqueIs

I


I1/I1

In/In

I2/I2

.

..n

dS

S finale = S initiale + dSn

S = k ln (I)

S finale = S initiale + initiale

finale

k I/I

Loi de Fechner

2 Psychophysique

(1850)


Intensité

Sensation

Loi de Fechner

la sensation varie comme le logarithme du stimulus

2 Psychophysique


Intensité

SensationP0 = 2.10-5 à 20 Pa

W = 10-12 à 1 W.cm-2

facteur 1012

facteur 106

grandeur physique : mal adaptée à la description des sensations car pas de linéarité

2 Psychophysique


S = k Log I

S1 – S2 = k Log I1 – k Log I2

S = k Log I1

I2

2 Psychophysique

variations de niveaux


PLAN


2 Psychophysique

3 Sensations sonores3 Sensations sonores



3.1 Sonie

3.2 Hauteur

3.3 Timbre

3.4 Localisation

PLAN

3.1 Sonie


Sonie :

3.1 Sonie

intensité subjective d’un son

(sensation de force sonore)


= LogW1 BelW2

Différence de niveau acoustique

= 10 LogW1 déciBelW2

= 20 Logp1 déciBelp2

3.1 Sonie

(N.B. : relatif)


Pour une moyenne de sujets sains à 1000 Hz :

10-12 W.cm-2

3.1 Sonie

Seuil absolu


D = 10 log10

W(dB SPL)

10-12

(Sound Pressure Level)

Niveau de pression acoustique

3.1 Sonie


3.1 Sonie

10 LogW

W0

2 sources de puissance W :

210 Log

W

W0

= 10 Log (2) +

3

niveau d’1 source + 3 dB


3.1 Sonie

+ 3 dB2

3 + 5 dB

+ 7 dB5

6 + 8 dB

10 + 10 dB

Nombre de sources Niveau

4 + 6 dB


20 50 100 500 1000 5000 20000 f (Hz)200

0

20

40

60

80

100

120

140

niveau acoustique (dB SPL)

3.1 Sonie


125 500250 1000 2000 4000 8000

120

100

80

60

40

20

0

f (Hz)

Perte auditive(dB HL)

(dB HL)

(Hearing Level)

0 dB fixé au seuil d’audibilité pour

chaque fréquence

Niveau d’audition

3.1 Sonie

Audiogramme


20 50 100 500 1000 5000 20000 f (Hz)200

0

20

40

60

80

100

120

140


3.1 Sonie


Courbes d’isosonie :

Valeur en phones :

ensemble des sons produisant la même sensation de force sonore

niveau en dB SPLdonnant la même sensationà 1000 Hz

3.1 Sonie


20 50 100 500 1000 5000 20000 f (Hz)200

0

20

40

60

80

100

120

140


20 phones

40 phones

60 phones

80 phones

100 phones

120 phones

3.1 Sonie


20 50 100 500 1k 5k 10k 20k f (Hz)

0

20

40

60

80

100

120

S(dB)

10-12

W(W.cm-2)

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

1

2.10-5

2.10-4

2.10-3

2.10-2

2.10-1

2

20

p(Pa)

10-10

10-4

déplacement dutympan (cm)

Seuil de douleur

Seuil absolu

3.1 Sonie

Valeurs négatives

Validité de la loi de Weber

Conversation

Orchestre


3.1 Sonie

Avion au décollage

Seuil de douleur

DiscothèqueTronçonneuse

TrainMoteur de voiture

Conversation à voix haute

Conversation à voix basseChant d’oiseau

Tic-tac de montreSeuil d’audibilité0

80

20

100

40

120

60

140

Niveau sonore (dB)


Fatigue auditive : perte temporaire de sensibilité

Lésions des cellules sensorielles : irréversibles

Limite : 8 heures / jour à 80 dB A 5 jours / semaine

4 heures / jour à 83 dB A

2 heures / jour à 91 dB A

3 minutes / jour à 101 dB A

3.1 Sonie

Risque auditif


Relation entre sonie et stimulus :

loi (expérimentale) de Stevens (1950)

La sonie double quand la pression

acoustique augmente de 10 dB

3.1 Sonie


Phone : unité pour comparer la sonie à différentes fréquences

Sone : unité pour comparer la sonieà fréquence fixée

3.1 Sonie


Is/I = 1 dB

Seuil différentiel relatif

3.1 Sonie


Un stimulus (> 40 dB) présenté aux deux oreilles donne une sonie double

que lorsqu’il est présenté à une seule oreille

Sonie et audition binaurale

(Intégration par le système nerveux)

3.1 Sonie


Durée courte (< 500 ms) :la sonie est d’autant plus faible que le stimulus est court

Sonie et durée du stimulus

Durée prolongée (dizaines de secondes) :la sonie diminue progressivement (adaptation)

3.1 Sonie


CCE

CCI

Neurones cochléo-bulbaires

Potentiels d’action / sec

Niveau (dB SPL)

20 40 60 80 100

100

200

Seuil

Saturation

Plusieurs neurones de dynamique différente permettent de coder pour toute la dynamique

3.1 Sonie

Codage de la sonie


Base

Apex

Membrane basilaire

Seuil SB

Seuil SHSaturation SB

Neurone SBNeurone SH

Étalement de la zone de réponse des neurones avec l’augmentation de l’intensité

3.1 Sonie


Base

Apex

Membrane basilaire

Seuil SB

Seuil SHSaturation SB

Neurone SBNeurone SH

Recrutement :

si les CCE n’ajustent plus le mouvement de la membrane basilaire

3.1 Sonie


Sonie des sons complexes

Les sonies de composantes situées dans différentes bandes de fréquence s’ajoutent

3.1 Sonie


Notion de bande critique

Intégration

Fréquence

Énergie

seuil

60 phones

30 phones 30 phones

…

3.1 Sonie



3.1 Sonie

3.2 Hauteur

3.3 Timbre

3.4 Localisation

PLAN


Hauteur (tonie) :

Facile pour un son pur

Parfois plus difficile pour un son complexe(principalement par la fondamentale)

3.2 Hauteur

sensation permettant de ranger les sonssur une échelle des graves aux aigusselon que leur fréquence est basse ou haute


Tonotopie cochléaire

Les régions de la membrane basilaire vibrant assez amplement pour induire l’excitation de neurones auditifs correspondent aux composantes spectrales du son

Base

ApexMembrane basilaire

25010004000

3.2 Hauteur


Les potentiels d’action des neurones auditifs apparaissent au maximum de pression

même fréquence que le stimulus

(si basse fréquence)

CCI

Neurones cochléo-bulbaires

Nerf

Fibre 1

Fibre 2

Fibre 3

Son

3.2 Hauteur


fréquence élevée : tonotopie (codage par la cadence des potentiels d’action impossible à cause de leur période réfractaire )

fréquence basse : codage par la cadence des potentiels d’action (tonotopie imprécise)

Deux mécanismes pour coder la fréquence :

3.2 Hauteur


f (kHz)

Seuil(dB SPL)

Les neurones correspondant aux basses fréquences répondent de manière moins sélective que pour les hautes fréquences

3.2 Hauteur


1000

Seuil différentiel relatif pour la tonie

4000 1600025062,5 f (Hz)

0,01

0,001

0,003

f

f f

fLoi de Weber : = constante

3.2 Hauteur


Classement des sons selon leur hauteur

L’intervalle de hauteur est le même entre f1 et f2 et entre f3 et f4 si f1

f2

f3

f4

=

H = k Log f

H = k Logf1

f2

Cf. loi de Fechner :

Intervalle d’une octave :f1

f2

= 2

3.2 Hauteur


3.2 Hauteur


Gamme musicale DoDo #

RéRé #

Mi

FaFa #

SolSol #

La

SiDo

fa f 1,059 f

262 Hz277 Hz

a2 f 1,122 f 294 Hza3 f 1,189 f 311 Hza4 f 1,259 f 330 Hza5 f 1,334 f 349 Hza6 f 1,414 f 370 Hz

a7 f 1,498 f 392 Hza8 f 1,586 f 415 Hza9 f 1,681 f 440 Hz

a10 f 1,781 f 466 HzLa #

a11 f 1,886 f 494 Hza12 f 2 f 524 Hz

f

a = 2 1/12



(par définition : 131 mels = hauteur d’un son de 131 Hz)

2000

1000

500

200

100

mel

0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 kHz

131 mel

131 Hz

Échelle établie par ajustements subjectifs relatifs

3.2 Hauteur

Unité de tonie : mel


Relations entre sonie et tonie

Effet de masque :

augmentation du seuil pour une fréquence si son simultané de fréquence inférieure

à basse fréquence : le plus fort paraît plus grave

à haute fréquence : le plus fort paraît plus aigu

3.2 Hauteur

2 sons ; intensité différentemême fréquence ;

Effet de la sonie sur la tonie :


3.2 Hauteur

Phénomènes subjectifs

Sons subjectifs :

son pur puissant entendu avec des harmoniques

Restitution de la fondamentale :

harmoniques sans fondamentale

même hauteur qu’avec la fondamentale


3.2 Hauteur

20 f (Hz)50 100 200 500 1000 2000 5000 10 k 20 k

basse

soprano

voix

fondamental harmoniques

Bande passante du téléphone



3.1 Sonie

3.2 Hauteur

3.3 Timbre

3.4 Localisation

PLAN


Timbre

Lié à la richesse et à l’amplitude des harmoniques

3.3 Timbre

sensation permettant de juger que deux sonscomplexes stables de mêmes sonie, hauteur, et durée de présentation sont différents


p

t

3.3 Timbre

Timbre différent

a

f

a

f

a

f


p

t

3.3 Timbre

Timbre identique

a

f

a

f

Pas d’influence de la phase


Harmoniques élevés riches en énergie : « brillant »

Harmoniques bas riches en énergie : « doux »

3.3 Timbre

Flûte : peu d’harmoniques ; violon : beaucoup

Le timbre dépend du spectre fréquentiel


faible intensité (basse fréquence)

faible intensité (haute fréquence)

importance décroissante

criard, éclatant

sans fondamental

impairs

pairs

3.3 Timbre

pauvre

Harmoniques Timbre

strident, perçant (picolo)

rond, chaud

forte intensité

nasillard (basson)

clarinette

violon


Les caractéristiques spectrales ne suffisent pas

Rôle des traitements centraux

Le timbre dépend du spectre fréquentiel

Rôle des fluctuations temporelles :

une note enregistrée jouée « à l’envers » n’a pas le même timbre

3.3 Timbre



3.1 Sonie

3.2 Hauteur

3.3 Timbre

3.4 Localisation

PLAN


Basses fréquences :retard du côté le plus éloigné

Hautes fréquences :perte d’énergie du côté le plus éloigné

3.4 Localisation


R

R sin

R

Écart interaural de temps

R + R sin

ct=

Diffraction

3.4 Localisation


Écart interaural d’énergie

Atténuation

3.4 Localisation


Conclusion

Versant perceptif plus complexe que le versant physique

Organe périphérique :sensible et capable de discrimination fine

S’intègre dans un système auditif plus vaste

Cochlée Noyau cochléaire

Complexeolivaire supérieurVIII

Lemniscus latéral

Colliculus inférieur

Corps géniculé médial

Cortex temporal


Certains aspects de la physiologie acoustique sont complexes

Conclusion

Amélioration par les connaissances les plus récentes

Ce qui sera utilisé pour l’exploration de l’audition est les notions les mieux établies (dB, phones)



Q.C.M. 1


1 2.10-3 Pa

2 2.10-5 W.cm2

4 0 dB

5 - 1 dB

3 1012 W.cm-2


Q.C.M. 1


1 2.10-3 Pa

2 2.10-5 W.cm2

3 1012 W.cm-2

4 0 dB

5 - 1 dB


Q.C.M. 2








Q.C.M. 2








Q.C.M. 3








Q.C.M. 3








Q.C.M. 4







Q.C.M. 4






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