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Perception
Psychoacoustique
La psychoacoustique se propose d'établir les relations entre nos sensations auditives et les caractéristiques physiques des stimuli acoustiques en faisant appel à des techniques de psychologie expérimentale. Elle observe les réponses statistiques d'un grand nombre d'auditeurs à des stimuli précis sans nécessairement chercher à expliquer le mécanisme de fonctionnement intime de l'oreille.
Les stimuli sont des sons purs, des sons aléatoires, la parole, etc. Les réponses des auditeurs sont censées révéler si un son est audible ou non, montrer s'il y a ou non modification des sensations auditives, classer les sons perçus sur une échelle, etc.
Le mode d'écoute est très important et doit être spécifié. Une distinction est opérée entre l'écoute au casque, l'écoute en champ libre et l'écoute en champ diffus ou semi-diffus. On trouvera ici un vaste ensemble d'échantillons sonores, couvrant la plupart des effets psychoacoustiques suivants.
Aire d'audition
La zone de fréquence et d'intensité des sons audibles est appelée aire d'audition. Elle est délimitée dans sa partie inférieure par le seuil d'audition et dans sa partie supérieure par le seuil de douleur. Pour un auditeur donné, le seuil d'audition est le niveau minimal de pression sonore d'un son spécifié capable de susciter une sensation auditive. Le son parvenant aux oreilles en provenance d'autres sources, comme la structure osseuse par exemple, est supposé insignifiant. Le seuil de douleur pour un auditeur donné est le niveau minimal de pression acoustique d'un son spécifié qui exerce une stimulation suscitant une sensation clairement douloureuse.
Dans la plage de fréquences de 2 à 4 kHz, où l'oreille est la plus sensible, la plage dynamique correspondant à la différence entre le seuil de douleur et le seuil d'audition est d'environ 140 dB.
L'audition se dégrade normalement avec l'âge: ce phénomène est appelé presbyacousie. Cette évolution est objectivée par une perte d'audition, c'est-à-dire l'écart en décibels entre le seuil d'audition des oreilles atteintes et le seuil d'audition standard pour une fréquence donnée. La presbyacousie est plus marquée chez les hommes que chez les femmes : cette différence s'explique par des expositions différentes au bruit au cours de notre vie. Il est ainsi prouvé qu'une exposition prolongée à un bruit intense, au travail par exemple, accélère le processus de vieillissement de l'audition et peut être à l'origine de pertes d'audition supérieures à la normale. Des pertes de l'ordre de 25 dB peuvent provoquer une dégradation appréciable de l'intelligibilité de la parole.
Sonie ou intensité physiologique
La sonie est l'attribut de la sensation auditive par lequel les sons s'ordonnent sur une échelle de faible à fort. Elle dépend principalement de la pression acoustique du stimulus, mais aussi de sa fréquence, de sa forme d'onde et de sa durée.
La sonie est caractérisée par des courbes isosoniques (voir graphique ci-dessous) qui représentent les valeurs liées de niveau de pression acoustique et de fréquence requises pour produire un niveau de sonie donné. Les courbes isosoniques dépendent du stimulus et du mode d'écoute.
Plus généralement, le niveau de sonie d'un son en phones est égal au niveau de pression acoustique d'une onde se propageant librement, d'une fréquence de 1 000 Hz, présentée à des auditeurs otologiquement normaux face à la source jugée aussi sonore que le son inconnu.
Tonie ou hauteur tonale
La tonie est l'attribut de la sensation auditive par lequel les sons peuvent être ordonnés sur une échelle, l'échelle psychoacoustique, allant du grave à l'aigu. Elle permet de reconnaître une mélodie. La tonie d'un son pur dépend principalement de la fréquence, de manière non linéaire, mais aussi de la pression acoustique, et très différemment d'une personne à une autre.
Pour un son harmonique, la tonie est pratiquement celle de la fondamentale, même si celle-ci est absente: l'oreille est donc sensible aux intervalles de fréquence entre harmoniques. On notera que la tonie dépend aussi de l'amplitude des harmonique : l'élimination de certaines harmoniques, au moyen de filtres par exemple, modifie la tonie.
La tonie de sons non harmoniques est fonction de l'amplitude des sons purs présents et de leur intervalle de fréquence. La tonie d'un son aléatoire dépend de la zone formante de son spectre, c'est-à-dire la partie de celui-ci où les composantes ont une amplitude relativement grande. Certains sons ont plusieurs zones formantes, ce qui rend leur tonie ambiguë. De même, le filtrage de sons percussifs (xylophone, par exemple) en change la tonie.
Hauteur harmonique ou musicale
Outre la tonie définie plus haut comme l'échelle psychoacoustique, on distingue la hauteur harmonique ou musicale, qui correspond à une échelle logarithmique de fréquences. La hauteur harmonique de la musique polyphonique occidentale et d'autres musiques traditionnelles est basée sur l'intervalle d'octave : deux sons distants d'une ou plusieurs octaves sont perçus comme similaires ou semblent même se fondre l'un dans l'autre, qu'ils soient entendus simultanément ou successivement. L'unisson à l'octave de voix ou d'instruments consiste à leur faire exécuter la même mélodie, mais avec un écart d'une ou de plusieurs octaves : on n'entend qu'une seule mélodie.
Si deux sons distants d'une ou de plusieurs octaves sont considérés équivalents, cela produit une hauteur harmonique relative, ce qui signifie que l'intervalle entre ces deux sons fait référence à la même octave.
La hauteur harmonique ne constitue une échelle auditive que pour des auditeurs ayant l'oreille musicale. Un auditeur doué de l'oreille absolue est capable de reconnaître la hauteur harmonique de n'importe quel son isolé. Il semblerait que cette qualité soit innée ; néanmoins, il est possible d'éduquer l'oreille en associant pour un instrument donné la hauteur et le timbre de chaque note. L'oreille musicale relative reconnaît l'intervalle entre deux sons entendus simultanément ou successivement. C'est ce qui importe réellement pour le musicien. L'entraînement peut améliorer cette capacité.
Timbre
Le timbre est l'attribut de la sensation auditive qui permet à un auditeur de différencier deux sons, présentés de manière identiques, et de même sonie et de même tonie. Il dépend principalement du spectre du son, mais aussi des transitoires (variations très rapides de l'amplitude) d'attaque et d'extinction.
Pour le psychoacousticien, qui étudie la perception subjective des sons par les êtres humains, le timbre est souvent une catégorie fourre-tout: si deux sons de sonie et de tonie identiques sont perçus comme différents, ils doivent avoir un timbre différent. Une coloration plus ou moins agréable est souvent associée au timbre. On le décrit par des termes et qualificatifs subjectifs qui sont souvent utilisés pour la peinture, tels que chaud, froid, plein, rond, perçant, aigu, brillant, mat, etc. En musique, un timbre renvoie avant tout à la tonalité des différents instruments, qui permet de les distinguer. Mais c'est plus que cela car le timbre est en partie déterminé par le mode d'émission du son, autrement dit l'attaque.
La qualité musicale d'un son ou, inversement, sa qualité de bruit est associée au timbre : la première est agréable, la seconde désagréable. De manière générale, un son harmonique est plus musical qu'un son aléatoire. C'est pourquoi le bruit est souvent défini comme un son inharmonique ou aléatoire complexe.
Consonance et dissonance
Lorsqu'il écoute simultanément deux sons purs, un auditeur a une impression désagréable ou indéfinie, appelée dissonance, dès que la différence de fréquence avoisine 6 à 8 Hz. La dissonance est la plus vive pour un intervalle proche du demi-ton tempéré.
Lorsque l'intervalle entre deux sons est un nombre entier d'octaves, la dissonance fait place à une consonance qui donne une impression calme de plénitude ou de complétude. Les deux sons paraissent former un seul son, comme s'ils étaient à l'unisson, c'est-à-dire de même fréquence.
Lorsqu'on écoute simultanément des sons ou séries harmoniques, la même impression de consonance est perçue si le ratio de leurs fondamentales est une simple fraction. Cette propriété peut s'expliquer par l'existence d'harmoniques communes ; plus elles sont nombreuses, meilleure est la consonance. Inversement, une dissonance est d'autant plus marquée que le nombre d'harmoniques communes est faible et que les écarts entre les autres harmoniques en présence sont faibles (battements et discordance).
Les intervalles musicaux peuvent être catégorisés par consonance décroissante. Se succèdent ainsi: l'unisson (1/1), l'octave (n/1), la quinte juste (3/2), la tierce majeure (5/4), la quarte juste (4/3), etc. On considère que l'intervalle d'une septième majeure (15/8) est le plus dissonant.
Enfin, il faut souligner que les consonances et les dissonances dépendent étroitement de l'expérience musicale de chaque individu et, plus généralement, de sa culture musicale.
Effet de masque
Lorsqu'on écoute deux sons de niveau différent, on observe un phénomène de masquage: le son masquant plus intense entraîne une diminution de la sonie du son masqué, moins intense, par rapport à sa sonie avant l'introduction du son masquant.
L'effet de masque dépend des caractéristiques des sons en présence et du mode d'écoute: il est étudié en déterminant la mesure dans laquelle la présence du son masquant augmente le seuil d'audibilité du son masqué.
Ce comportement de l'audition humaine a été pris en compte dans la définition des algorithmes de compression pour tous les formats audio numériques avec pertes, tels le MP3. Alors que le débit du flux audio linéaire d'un CD audio est de 1 411 kbps, le débit d'un fichier MP3 de qualité Internet courante est de 128 kbps, ce qui représente un ratio de compression d'environ 11:1. Est-ce faisable sans diminuer l'information? Non. Alors, tout en diminuant l'information, comment peut-on préserver une qualité de son acceptable? Il existe une solution très simple, qui consiste à tirer parti de l'effet de masque; dans ce cas, cela suppose d'éliminer certains signaux ou certaines parties du signal qui, de toute façon, auraient été masqués par le cerveau.
Localisation
La localisation est l'aptitude à localiser une source sonore dans l'espace. Elle n'est possible qu'en situation d'écoute binaurale, c'est-à-dire avec les deux oreilles. Bien qu'assez précise sur le plan horizontal, elle est médiocre en ce qui concerne l'angle d'élévation et la distance. Deux phénomènes expliquent la localisation horizontale de la source sonore:
- la différence de pression sonore entre les deux oreilles due à la diffraction de la tête;
- la différence de trajectoire du son entre la source et les oreilles.
La tête fait obstacle à la propagation du son et crée une ombre acoustique pour les sons dont la longueur d'onde est plus courte que ses dimensions. Pour une source latérale, il y a donc un écart de sonie entre les deux oreilles, qui permet de situer la source. Ce phénomène n'intervient qu'au-dessus de 400 Hz environ.
La diffraction étant fonction de la fréquence, le timbre d'un son complexe est modifié en fonction de la position de la source et offre donc un autre moyen de localiser la source. Ce mode nécessite d'acquérir suffisamment d'informations sur la modification du timbre par rapport à la direction de la source et dépend donc de l'expérience de chaque individu.
La différence de trajectoire du son engendre un délai entre les instants d'arrivée du son à chaque oreille. Lorsqu'on est immobile, ce délai correspond à une différence de phase, qui permet de localiser la source s'il est inférieur à une demi-longueur d'onde. C'est le cas des fréquences d'environ 800 Hz.
Les expériences portant sur la localisation de la source sonore, en particulier celles qui sont réalisées avec des casques, montrent que les êtres humains sont capables de détecter des délais de l'ordre de 10 microsecondes. Le seuil otologique normal, c'est-à-dire la sensibilité normale, est à peu près égal à 40 microsecondes.
Les phénomènes décrits ci-dessus se combinent les uns les autres et permettent de localiser une source avec une précision croissante en fonction de la complexité croissante du son. Pour les sons purs de basse fréquence, il existe une ambiguïté entre la localisation avant et arrière. Le décalage temporel ne suffit pas à lui seul pour localiser correctement la source.
La localisation du point de vue de l'angle d'élévation peut être expliquée par la diffraction causée par la tête, mais surtout par le pavillon de l'oreille. Cette diffraction engendre des pics et des creux dans le spectre du son incident et induit ainsi différents timbres. Il semble bien que les individus acquièrent une expérience d'écoute suffisante pour pouvoir associer ces variations de timbre aux différents angles d'élévation.