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Laboratoire de psychoacoustique
Rien de mieux que les expériences suivantes pour découvrir les aspects fascinants de l'audition humaine. Ouvrez grand vos oreilles et votre esprit!
NB: Commencez par désactiver, si nécessaire, les options de traitement numérique de votre carte son (réverbération, chorus ou "spatial 3D") pour éviter d'éventuels dysfonctionnements, en particulier sur les échantillons binauraux (stéréo).
SONS PURS
Commençons par écouter des ondes sinusoïdales. Le premier son pur est un la du milieu à 440 Hz, et le deuxième un mi à 660 Hz, soit une quinte au-dessus. Comme ces deux sons sont monauraux, vous avez l'impression de les entendre au centre de votre tête (si vous utilisez un casque) ou directement en face de vous (si le son est retransmis par des enceintes).
Onde sinusoïdale (la) 440 Hz
Onde sinusoïdale (mi) 660 Hz
SOMMATION ET MIXAGE
Notre première expérimentation portera sur une "sommation stéréo". Le son la (440 Hz) passe par le canal gauche et le son mi (660 Hz), par le canal droit. Vous entendez probablement chaque son distinctement. Mais il se peut aussi que vous perceviez les deux notes comme un intervalle musical, ou comme un accord à deux notes. De façon simplifiée, on dira que le cerveau additionne les deux notes qui arrivent dans chaque hémisphère par un canal différent.
Sommation stéréo 440/660 Hz
Au passage, ce fichier est très utile pour vérifier votre séparation stéréo. Une bonne approximation de l'audition binaurale (canaux gauche et droit indépendants) sera nécessaire pour obtenir le résultat voulu dans certaines des expérimentations suivantes. N'utilisez qu'un écouteur à la fois (bouchez l'autre avec votre main) de manière à n'entendre qu'un son par écouteur et à éliminer les interférences.
Nous allons maintenant additionner les deux sons dans un seul signal monaural (canaux droit et gauche identiques, c'est ce que l'on appelle "sommation vraie ou monaurale"). Acoustiquement, nous n'avons fait qu'additionner les deux sons. Le graphique du domaine fréquentiel ci-dessous montre seulement les deux fréquences 440 HZ (la) et 660 Hz (mi), mais c'est aussi à ce moment-là qu'entre en jeu l'aspect «psycho» de la psychoacoustique.
Sommation mono 440/660 Hz
Parfois, vous entendrez deux sons distincts comme dans la sommation stéréo. Parfois, le son le plus grave dominera et le son le plus aigu ne fera qu'ajouter de la "couleur" ou du timbre. Après plusieurs écoutes en boucle, il se peut que le son le plus aigu "disparaisse" complètement et que vous n'entendiez plus que le son le plus grave avec un timbre proche du basson. Ce n'est nullement surprenant car le son le plus aigu est harmoniquement relié (bien qu'indirectement) au son le plus grave. Le cerveau semble synthétiser l'octave la plus haute de la note mi (à 1320 Hz), avant de choisir de la percevoir comme le troisième harmonique du son fondamental.
Plus rarement, on peut avoir l'impression d'entendre un la à une octave plus basse (à 220 Hz). Si cela vous arrive, vous aurez l'impression illusoire d'entendre une "basse fantôme". Ce phénomène peut également se produire quand on écoute un son stéréo émis par des enceintes de petite taille incapables de reproduire des basses graves. Très souvent, votre oreille "rajoutera" les fréquences manquantes et vous aurez ainsi l'impression que vos baffles fonctionnent bien mieux qu'en réalité.
Nous allons maintenant mixer les deux signaux en appliquant une non-linéarité. Nous utilisons pour ce faire un "filtre RMS" qui va essentiellement mettre au carré chaque point du signal additionné.
Pour écouter le résultat, cliquez sur le lien ci-après. Les deux fréquences originales ressortent en gras sur le spectrogramme mais comme vous pouvez le constater, il y a maintenant une tonique plus basse à une fréquence de 220 Hz (la) ainsi que d'autres fréquences provenant de la sommation tous les 220 Hz au-dessus.
Mixage Mono 440/660 Hz
Le son le plus haut (660 Hz) semble avoir complètement disparu, comme s'il avait été absorbé par les harmoniques créés durant le mixage. Le son que l'on entend fait penser à celui d'un mirliton ou d'un hautbois sous stéroïdes.
On entend maintenant distinctement une tonalité « majeure » en raison des sommations qui ajoutent la tierce majeure à la fondamentale et à la quinte juste. Si vous n'êtes pas certain de bien entendre cette tonalité, écoutez l'échantillon de son suivant. C'est le même que le précédent, mais nous utilisons cette fois un filtre passe-bas, avec une fréquence de coupure juste au-dessus de 1100 Hz, et en insistant sur le signal de différence (la=220 Hz) et la quinte stricte (mi=660 Hz):
Mixé et filtré
NOTES FANTÔMES
Nous allons maintenant nous intéresser à ce qu'il est convenu d'appeler les "notes fantômes": lorsque deux instruments à vent de la famille des bois jouent ensemble à des tonies différentes, par exemple, on peut clairement entendre une note plus haute qui n'a rien à voir avec celles qui ont été jouées par les deux instruments. L'interprétation la plus courante consiste à dire que cette note résulte de la somme des fréquences des deux notes "réelles".
En fait, la note fantôme résulte probablement des "harmoniques partagés". Prenons par exemple un son où la fondamentale est un la (440 Hz) avec un 9e harmonique fort (9 * 440 Hz = 3 960 Hz, ce qui est proche d'une seizième majeure, ou une octave au-dessus d'une neuvième majeure). Prenons maintenant comme deuxième note, la note mi (660 Hz) avec un 6e harmonique proéminent (une quinte parfaite une octave au-dessus), qui serait une fois de plus égale à 3960 Hz (6 * 660 Hz). Dans ce cas, les deux harmoniques différents pourraient se renforcer respectivement, en particulier si l'on a utilisé des images stéréoscopiques.
Pour le démontrer, intéressons-nous au son de "hautbois" produit par un synthétiseur grand public (6e et 9e harmoniques forts). Entendez-vous une note fantôme, à savoir un si aigu, quand un la (440 Hz) et un mi (660 Hz) sont joués simultanément? Commencez par écouter les deux notes séparément puis regardez le spectrogramme du son la ci-après.
Son de hautbois, la (440 Hz), mono
Son de hautbois, mi (660 Hz), mono
Si vous avez une bonne oreille musicale, vous pourrez entendre le 9e harmonique (si aigu) dans le son la. Il est toutefois peu probable que vous l'entendiez dans le son mi car la quinte parfaite a tendance à "se cacher" dans la fondamentale, comme dans la sommation mono donnée en exemple plus haut.
Incidemment, comme les deuxième et quatrième harmoniques sont extrêmement forts, ils peuvent créer l'illusion que la fréquence fondamentale est une octave ou même deux octaves au-dessus de sa fréquence réelle. Pour vous en rendre compte, réécoutez les sons purs des ondes sinusoïdales du début (fichiers audio 1 et 2) et notez la différence.
Pour finir, jouez les deux notes en même temps et écoutez bien. Le son la se place à gauche du centre de l'image stéréo, alors que le son mi va se loger à droite. Si vous arrivez à entendre un si aigu exactement au centre du champ stéréo, sachez que c'est la note fantôme!
Note fantôme
FREQUENCES DE BATTEMENT
Les fréquences de battement représentent un autre phénomène intéressant que l'on explique souvent comme un traitement du mixage psychoacoutisque. Nous allons démontrer que si la perception des fréquences de battement est une réalité indéniable, ce phénomène peut s'expliquer sans nécessairement avoir recours au postulat de la non-linéarité (du mixage) de notre perception du son.
Jusqu'ici, nous n'avons utilisé dans nos expériences que des sons où la fréquence différentielle (également appelée fréquence de battement) est relativement élevée. Que se passe-t-il quand la différence entre les deux est infime et que la fréquence de battement qui en résulte n'est que de quelques hertz? Les deux échantillons de sons ci-dessous ont des fréquences de 440 Hz et 443 Hz, autrement dit, la différence de tonie entre les deux n'est que de 12 cents. Si vous écoutez les échantillons plusieurs fois de suite, vous finirez par entendre la très légère différence de tonie.
Onde sinusoïdale 440 Hz
Onde sinusoïdale 443 Hz
Maintenant, écoutez ce que deviennent ces deux sons quand on les mixe ensemble dans un signal mono. Vous n'aurez aucun mal à percevoir la fréquence de battement.
440 Hz + 443 Hz, mono
Comment expliquer ce phénomène ? Est-ce que l'oreille et le cerveau procèdent à un mixage non linéaire pour percevoir la fréquence différentielle ? Peut-être pas. Afin de trouver une autre explication, regardons à quoi ressemble la forme d'onde dans le domaine temporel.
Si vous ne comprenez pas bien ce qui se passe dans le schéma du haut, regardez le schéma du bas qui représente la même chose mais en bien plus grand. Voici à quoi ressemblerait l'onde si l'on additionnait des fréquences de 50 Hz et 53 Hz.
En amplitude maximale, on observe que l'enveloppe de l'onde forme une série répétitive de vagues. D'une certaine façon, elle se comporte comme une fréquence de son pur, modulée par l'enveloppe 3 Hz. En réalité, l'oreille perçoit ce son pur dans le domaine fréquentiel et l'enveloppe dans le domaine temporel.
Cette théorie repose sur l'observation qu'au fur et à mesure que la différence entre les deux signaux augmente, le battement devient de plus en plus rapide avant de finir dans une sorte de "vibrato". A un quart de demi-ton de différence environ, le son pur modulé se transforme en deux fausses notes distinctes.
A aucun stade, l'oreille ne perçoit une fréquence de basse grave. Dans le fichier audio suivant, nous avons additionné deux sons la de fréquences très proches (1760 Hz et 1860 Hz). Vous entendrez tout au plus un son isolé, modulé à 100 Hz, ou deux sons discordants mais jamais une note discrète (basse grave) de 100 Hz. De nombreuses illusions auditives existent mais la perception non linéaire de l'oreille, du système nerveux ou du cerveau n'en est nullement la cause.
1 760 Hz (la) + 1 860 Hz, mono
L'expérience suivante est probablement la plus surprenante. S'agissant d'un test binaural, un casque est indispensable et comme précédemment, nous utilisons des sons de fréquences très proches (la à 440 Hz et 443 Hz). Mais cette fois, chaque fréquence est isolée dans son propre canal, 440 Hz dans l'oreille gauche et 443 Hz dans l'oreille droite.
440 Hz (A) + 443 Hz, binaural
Curieusement, vous n'entendrez pratiquement aucun battement mais plutôt deux notes distinctes et légèrement discordantes que vous percevrez peut-être comme un son pur « étalé » dans le champ stéréo. L'oscillation résiduelle que vous entendrez peut-être sera probablement due à une séparation stéréo imparfaite au cours de la chaîne de traitement qui va de l'enregistrement à la reproduction.
Cela signifie que lorsque l'oreille gauche et l'oreille droite perçoivent de manière indépendante des signaux binauraux, non seulement le cerveau ne les additionne pas mais il ne fait pas non plus de mixage non linéaire. Juste un petit conseil en passant. Si vous vous servez des effets de battement pour accorder des instruments, sachez que les battements seront plus audibles si les deux instruments sont placés directement en face de vous (simulation d'un signal mono) plutôt qu'à votre gauche et à votre droite (approximation d'un signal binaural).
SONS RÉSULTANTS
Nous terminerons cette série d'expériences par un exercice des plus intéressants. Notre but est de voir s'il est possible de démontrer la présence de sons résultants à partir d'un support électronique. Nous utiliserons pour ce faire un fichier mp3 qui reproduit le diapason d'un orgue. Dans le fichier audio, on entend d'abord un do grave pendant environ 2 secondes (la fréquence la plus basse est d'environ 65 Hz, c'est-à-dire du registre des tuyaux de 16 pieds), puis le son sol au-dessus. Entendez-vous un tuyau de 32 pieds (un do très grave à 32,75 Hz)?
Diapason d'orgue, mono
Pour référence mais aussi pour le plaisir, nous vous donnons le sonagramme correspondant. Un sonagramme est un autre moyen graphique de représenter des signaux acoustiques dans le domaine fréquentiel. Il permet d'analyser les changements du son que l'on écoute, et peut donc être assimilé en quelque sorte à une empreinte vocale. Le temps apparaît en abscisse et la fréquence en ordonnée. La couleur indique l'intensité de chaque composante de fréquence.
Un rapide coup d'œil au sonagramme permet de se rendre à l'évidence : il n'y a pas la moindre trace d'octave inférieure quand la quinte parfaite commence à jouer. Cela prouve bien une fois de plus que ce que vous entendez (si tant est que vous entendiez quelque chose) n'est pas un phénomène « physique » mais un phénomène induit par votre cerveau.