Brevet FR2383495A1 — publié le 19781006

La présente invention concerne d'une façon générale les problèmes de l'appréciation de la voix et de la musique ainsi que de la reconnaissance et de l'authentification des locuteurs et plus particulièrement un analyseur de spectre à long terme dont la répartition des bandes de fréquences est en rapport etroit avec les propriétés du système auditif humain. Il résulte d'un travail effectué par les inventeurs en collaboration avec des sujets particulièrement entraînés aux problèmes de ltécoute, en particulier des musiciens professionnels, qu'un musi cien est capable de pratiquer deux types d'écoute : - une écoute d'ordre proche ou à court terme, où il fait une analyse précise des phénomènes acoustiques brefs, sur une durée de quelques secondes - une écoute d'ordre lointain, ou à long terme, où, après une longue séquence, une pièce de musique ou un discours par exemple, il formule un jugement global sur la "qualitén de ce qu'il a entendu la "sonorité" de la voix, de l'instrument, de la salle, de la chat- ne de reproduction ... à l'aide d'un vocabulaire limité.Il apparait donc que, dans l'écoute d'ordre lointain, l'auditeur effectue une opération d'intégration de la densité spectrale à l'intérieur d'un nombre limité de bandes. Pour vérifier cette hypothèse, les inventeurs ont fait écouter des sujets entraînés (une centaine, pour obtenir un aspect sta lytique significatif) des séquences parlées et des pièces de musi xe après passage par un filtre de réjection, ce filtre permettant de supprimer une bande plus ou moins large jusqutà ce que l'ensem ble des auditeurs perçoive nettement une différence et puisse la définir à l'aide d'un des qualificatifs utilisés habituellement. fuit "bandes sensibles" ont été ainsi déterminées expérimentalenent et elles ont les limites suivantes 50-200 ; 200-400 ; 400-800 ; 800-1200 ; 1200-1800 ; 1800-3000 3000-6000 ; 6000-15000 Xz. et peuvent être désignées par les qualificatifs suivants t basse, grave, médium-grave, médium, médium-aigu, aigu, suraigu, stridente On constante que ces bandes ne présentent pas la répartition en octaves ou tiers d'octave habituellement adoptée dans les analy rieurs existants. tes recherches des psycho-physiologistes sur le système audi 3L 3. bouti à des résultats essentiels résumés ci-après La sensibilité du systême auditif aux intensités croit de 30 à 2000 Hz environ, puis décroît jusque vers 15000 Hz (Fletcher). Les lois de croissance et de décroissance de la sensibilité en fonction de la fréquence n'ont aucune "régularité" mathématique définissable. L'oreille est capable de discerner beaucoup plus de sons élémentaires (différence-limens, en anglais) dans sa région de plus grande sensibilité que dans les régions marginales de l'aire audible: c'est ce que les musiciens et les facteurs d'instruments de musique savent et exploitent empiriquement depuis toujours. Dans l'ouvrage "Hearing ; its psychology and physiology" S.S. STEVENS et H. DAVIS ont essayé de chiffrer le "pouvoir séparateur" de l'oreille. La Fig. 1 extraite de cet ouvrage, fournit la répartition des "quantas acoustiques" dans l'aire audible, qui a été découpée en carrés dont le côté horizontal correspond à une demi-octave, et le côté vertical à 10 dB. Pour savoir combien de sons différents l'oreille peut percevoir dans chaque demi-octave, les inventeurs ont additionné les "quantas" de chaque colonne de la Fig. 1 et porté les résultats sur le diagramme de la Fig. 2, qui montre le nombre d' informations élémentaires que le systême auditif est capable de saisir dans chaque bande d'un demi-octave. L'échelle des fréquences ayant été découpée arbitrairement par STEVETS et DAVIS en demi-octaves qui n'ont aucune signification auditive, les inventeurs ont calculé le nombre de sons perceptibles dans chacune des huit bandes sensibles déterminées expérimentalement, puis les pourcentages correspondants par rapport au nombre total de sons perceptibles. Le diagramme obtenu (Fig. 3, courbe 101, en trait plein) montre ce que l'oreille est capable de saisir comme information acoustique. Mais il est bien évident que les messages acoustiques émis par l'homme (parole et musique) utilisent des émetteurs (système phonatoire et instruments de musique) dont les signaux ne sont réalisables que dans certaines limites de fréquence. Ainsi le fondamental de la voix peut varier entre 60 et 1000 Hz environ (des voix de basse aux voix suraiguës); les fondamentaux des instruments de musique s'étendent jusqu'à 3000 Hs environ. Pour avoir une idée précise des régions fréquentielles réellement exploitées, il suffit de considérer le diagramme bien connu de la Fig. 4 et de calculer, pour chaque bande sensible, le pourcentage d'émetteurs possédant leur fondamental dans la bande considérée: le diagramme 102 correspondant a été tracé en tirets sur la Fig. 3. Les courbes 101 et 102 sont très approximativement complémentaires.Il devient alors évident que les messages sonores utilisés par l'homme représentent un compromis entre deux impératifs s ce que les instruments et la voix sont capables de produire comme signaux et ce que l'oreille est capable de saisir. Cela montre que les bandes sensibles déterminées expérimentalement contiennent une quantité d'information (information émise + information reçue) à peu près égale. L'objet de l'invention est de réaliser un analyseur de spectres à "bandes sensibles" où intégrateur de densité spectrale ayant les limites précédentes, la sortie relative à chaque filtre passe-bande pouvant etre intégrée sur une durée possible comprise entre une minute et une dizaine de minutes environ. L'invention va entre maintenant décrite en détails en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est le diagramme de répartition des quantas acoustiques dans un plan amplitude fréquence dont il a été question dans l'entrée en matière - la Fig. 2 est un diagramme donnant la répartition des quanta dans des bandes de fréquences jointives de chacune un demi-octave dont il a été question dans l'entrée en matière - la Fig. 3 représente un diagramme en trait plein 101 donnant la répartition des quanta dans les bandes sensibles expérimentales calculées à partir du diagramme de STEVENS et DAVIS et un diagram me en tirets 102 donnant h pourcentage d'émetteurs de messages acoustiques (voix et instruments) possdant leur fondamental dans la bande sensible considérée - la Fig. 4 donne les spectres de la voix et des différents instruments de musique - la Fig. 5 représente sous la forme d'une diagramme de blocs 1 'intégrateur de densité spectrale de 1' invention - la Fig. 6 représente sous la forme d'un diagramme de blocs un intégrateur de densité spectrale servant à la comparaison du spectre d'une voix à un spectre de référence en vue de lauthen- tification de la voix d'un locuteur - la Fig. 7 représente des diagrammes spectraux de définition de l'acoustique d'une salle de concert - la Fig. 8 représente des diagrammes spectraux de test de channes à haute fidélité; - la Fig. 9 représente des diagrammes spectraux d'un patient ayant subi une opération des cordes vocales; et - la Fig. 10 représente des diagrammes spectraux relatifs à l'identification de personnes par leur voix. La Fig. 5 représente l'intégrateur de densité spectrale de l'invention. Il comprend essentiellement un préamplificateur 1 relié à un microphone 2 et associé à un vu-mètre 3, huit filtres passe-bande 41 à 48 dont les limites sont celles des bandes sensibles données antérieurement, huit redresseurs double alternance à à 8 respectisement connectés aux filtres 4t à 45, huit intégrateurs 6t à 68 respectivement connectés aux redresseurs 5t à huit voltmètres 71 à 78 et un circuit 10 permettant d'obtenir des résultats relatifs en pourcentage, indépendants de la sensibilité à l'entrée. Ce circuit comporte un sommateur analogique 11 donnant la quantité Vi où Vi est la mesure du voltmètre 71, un inverseur analogique 12 donnant la quantité et des multiplicateurs analogiques 131 à 138 donnant les quantités Â ces multiplicateurs analogiques sont reliés des voltmètres à à 88. Les intégrateurs 61 à 68 sont des intégrateurs commandés par tension grSce au potentiomètre de commande 9. Dans la Fig. 6, les voltmètres 81 à 88 de la Fig. 5 sont remplacés par des voltmètres numériques 141 à 148 qui sont reliés à un registre 15. Chaque voltmètre fournit par exemple un mot binaire à 10 bits. Le registre 15 est relié à un comparateur 16 à 80 bits qui reçoit d'autre part huit mots binaires de 10 bits en provenance d'un registre de référence 17. La sortie du comparateur 16 est reliée à un appareil indicateur 18 qui fournit un signal quand les huit mots de lecture des voltmètres sont égaux à une tolérance près aux huit mots de référence. La tolérance dépend, ainsi qu'il est connu, du nombre de bits de poids binaire faible dont on ne tien pas compte dans la comparaison. Applications de l'intégrateur de densités spectrales 1. ) Acoustique des salles : Un orchestre jouant dansune salle de concert, les inventeurs ont effectué trois enregistrements simultanés à l'aide dtun microphone sur la scène à côté de l'orchestre, d'un microphone au milieu du premier rang et d'un microphone au milieu de la salle. Les spectres intégrés 21, 22, 23 correspondant à ces trois enregistrements (Fig. 7) montrent qu'il est possible d'effectuer une exploration de la salle quant à sa sonorité pour le genre de musique que lton envisage d'y jouer. 2' ) Qualifications des chaînes HI-FI La Fig. 8 donne un exemple de diagrammes de test global 32 et 33 de deux chaînes d'écoute comparées à un spectre de référence 31 fourni par un transducteur de référence lisant un disque de musique symphonique. On voit l'intérêt que représente l'utilisation de l'intégrateur de densité spectrale pour les fabricants de matériel de haute fidélité et également pour les fabricants de disques qui pourraient comparer le disque à l'enregistrement dont il provint. 30 ) Utilisation dans le domaine médical On sait que des interventions chirurgicales sur les cordes vocales peuvent être Pratiquées à laide d'un laser ce qui permet un accès par la voie naturelle, sans laryngotomie, sans effusion de sang et avec une précision remarquable. La Fig. 9 montre deux enregistrements 41 et 42 du même texte lu par un patient avant et après l'opération : la comparaison des diagrammes montre la récupération obtenu. 4 ) Vérification d'identité d'un locuteur Le problème de la vérification d'identité dune personne se pose lorsqu'il s'agit d'avoir accès à des informations ou à des locaux réservés à une certaine catégorie d'ayants-droit. Le locuteur annonce son identité et le système d'authentification vérifie s'il y a concordance entre les paramètres caractéristiques de la voix du locuteur et les paramètres mémorisés correspondant à liden- tité annoncée par le locuteur. La densité spectrale intégrée est un excellent paramètre d'identification. La Fig. 10 montre les spectres intégrés 51, 52, 53 de trois locuteurs. Il suffira de régler le registre de référence de la Fig. 6 sur chacun de ces spectres et de régler également la tolérance. Celle-ci doit Qtre être infé- rnirL'écart entre les spectres vocaux des différents locuteurs pour permettre l'identification REVEND IC ATI ON S 1 - Analyseur de spectres vocaux ou musicaux comprenant un banc de filtres passe-bande, des détecteurs reliés auxdits filtres, des intégrateurs reliés auxdits détecteurs, et des voltmètres reliés auxdits intégrateurs, caractérisé en ce que les filtres passe-bande sont au nombre de huit et ont substantiellement pour limites les fréquences 50-200, 200-400, 400-800, 800-1200, 1200-1800, 1800-3000, 3000-6000 et 6000-15000 et que le temps d'intégration est compris entfe une minute et une dizaine de minutes. 2 -. Analyseur de spectres vocaux ou musicaux conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les voltmètres sont des voltmètres numériques et que 1'analyseur comprend en outre huit registres de référence et un comparateur comparant respectivement les données fournies par lesdits registres de référence et les données fournies par les voltmètres numériques. 3 - Analyseur de spectres vocaux ou musicaux conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de détermination de pourcentages formé d'un circuit sommateur des données fournies par les voltmètres, d'un circuit inverseur du signal somme fourni par ledit circuit sommateur, et de circuits multiplicateurs recevant chacun et multipliant les données fournies par un voltmètre et le signal fourni par ledit circuit inverseur.