Stress, charge cognitive et signal de parole : étude exploratoire auprès de pilotes de chasse. (Stress, cognitive load and speech signal : an exploratory study among fighter pilots) (2016)

Abstract: Cet article traite des effets de la charge cognitive sur la fréquence fondamentale de pilotes de F-16 placés dans un scénario de vol de nuit. La charge cognitive a été estimée à l’aide de paramètres liés à la tâche (hétéro-évaluation), à l’individu (anxiété, auto-évaluation du stress ressenti) et à la situation (simulation contrôlée). Nos résultats montrent que l’écart mélodique est un bon candidat pour évaluer le niveau de la charge cognitive, même si la relation entre eux présente des profils individuels spécifiques. La création d’une typologie des situations de communication, l’adjonction d’autres indices acoustiques et le croisement avec des données physiologiques constituent les perspectives de cette étude.

## introduction l'étude présentée ici a été réalisée dans le cadre du projet biovoc 1 , dont l'objectif est d'étudier les effets, sur le sujet aux commandes d'un système complexe, du stress, de la fatigue et de la surcharge cognitive. les variations de l'état du sujet y sont suscitées via la manipulation de variables 1. action de recherche concertée "biovoc : impacts vocaux et métaboliques, sur le sujet aux commandes d'un système complexe, de variations situationnelles susceptibles d'agir sur son état.", collaboration entre les laboratoires d'analyses pharmaceutiques (b. blankert), de biologie humaine et toxicologie (j.-m. colet) et de phonétique (b. harmegnies) de l'université de mons situationnelles (p.ex. en simulateur de vol), et objectivées de façon croisée par analyse de biomarqueurs (fréquence cardiaque, cortisol salivaire, signatures métaboliques, etc.) et analyse des productions de parole. le signal de parole est porteur de multiples informations extra-linguistiques, ayant trait notamment à des composantes stables de l'identité du locuteur (origine régionale, âge, genre, etc.) ainsi qu'à ses composantes évolutives (états physique, cognitif, émotionnel). le milieu aéronautique constitue un précieux contexte d'étude de ces phénomènes. en effet, les pilotes d'aéronef sont engagés dans une tâche éminemment complexe, impliquant de nombreux échanges verbaux d'information, et susceptible d'affecter largement leur état (fatigue physique, surcharge cognitive, stress, etc.). en retour, l'état du pilote est en partie constitutif de ces "facteurs humains" à même d'affecter lourdement le déroulement d'un vol, d'où l'intérêt de l'industrie aéronautique et des autorités de contrôle pour le développement d'instruments de détection, en particulier du stress et de la fatigue engendrés par une charge cognitive importante, à partir des signaux de parole enregistrés dans le cockpit (cockpit voice recordings, cvr ci-dessous). le projet biovoc s'inscrit dans une longue tradition, au sein de notre laboratoire, de recherches centrées sur les relations entre variables psychologiques et signal de parole @xcite @xcite . ainsi, dans une étude pionnière menée sur de la parole francophone, @xcite ont comparé les effets du stress en situation réelle -en l'occurrence à partir d'enregistrements cvr recueillis lors d'un accident d'avion -avec les effets du "stress cognitif" (au sens défini par @xcite induit en laboratoire. leurs analyses ont démontré que la fréquence fondamentale (f0) était globalement le paramètre le mieux à même de distinguer les différents niveaux de stress, indépendamment de la situation ou du locuteur. les paramètres spectraux aboutissaient, quant à eux, à des résultats parfois intéressants mais globalement moins systématiques. l'hypothèse généralement admise est que la réaction psychophysiologique à un agent stressant implique une augmentation du rythme cardiaque, de la tension musculaire et de la pression sous-glottique, qui tous trois sont susceptibles de causer une élévation de la f0 @xcite . dans leur conclusion, @xcite pointaient un certain nombre d'éléments à prendre en compte pour de futurs travaux sur le sujet : (i) la nécessité de mieux définir, et donc opérationnaliser, le concept de "stress" ; (ii) l'intérêt d'objectiver la variable "stress" et ses composantes via leurs marqueurs physiologiques ; (iii) l'importance à accorder à la variation inter-individuelle (notamment dans la résistance au stress) @xcite . une récente revue de la littérature consacrée aux "indices vocaux du stress" fait écho à la plupart de ces recommandations @xcite . ainsi, il ressort de celle-ci que malgré la diversité des paramètres acoustiques étudiés (f0, intensité, vot, jitter, shimmer, débit de parole, balance spectrale, rapport signal/bruit, etc.), c'est le plus systématiquement à une élévation de la f0 que le stress est associé @xcite @xcite , même si celle-ci n'est pas universellement observée @xcite . parmi les facteurs susceptibles de rendre compte de la variabilité des résultats obtenus, on pointera la grande variété des sous-types de stress (physique, cognitif, émotionnel ; en laboratoire vs. en situation réelle, etc.) induits dans les études considérées, ainsi que les caractéristiques individuelles des sujets étudiés (en termes d'expertise par rapport à la tâche, de réponse physiologique au stress, voire de personnalité). cet article traite des effets de la charge cognitive sur la fréquence fondamentale de pilotes de f-16 placés dans un scénario de vol de nuit. la charge cognitive peut être définie comme correspondant : « à l'intensité du traitement cognitif mis en oeuvre par un individu lorsqu'il réalise une tâche donnée dans un contexte particulier» @xcite . de nombreux facteurs interviennent dans l'intensité du traitement cognitif. le premier est déterminé par le nombre d'informations impliquées dans la tâche et les relations qu'elles entretiennent entre elles : plus elles sont nombreuses, plus la charge augmente. l'expertise, c'est-à-dire les compétences et les connaissances antérieures dont dispose l'individu au moment de réaliser la tâche, influence la charge cognitive : plus le sujet est expert, plus il dispose de traitements automatisés, ce qui amoindrit sa charge cognitive. les stratégies mises en oeuvre par l'individu pour accomplir la tâche impactent la charge cognitive : une personne peut ignorer certaines informations ou optimiser certains traitements. la présence d'interférences dans le contexte d'exécution de la tâche joue également un rôle. la nature des traitements cognitifs à opérer est cruciale : des processus cognitifs ou sensoriels différents sont plus facilement exécutés simultanément, ce qui contribue à réduire la charge cognitive. l'effort que l'individu consent à produire pour mener la tâche affecte la charge cognitive maximale qu'il peut endurer : celle-ci dépend de sa motivation et de sa fatigue. enfin, la pression temporelle intervient aussi : plus le temps disponible pour mener la tâche à son terme est faible, plus la charge cognitive augmente @xcite @xcite . la charge cognitive résulte donc de l'action combinée de trois entités majeures : la tâche, l'individu et l'environnement. dans cette étude, une attention particulière a été portée au contrôle de ces trois types de facteur. a l'instar d'autres auteurs @xcite , nous considérons qu'un niveau de charge cognitive élevé peut constituer une pression d'ordre psychologique induisant une réponse psychophysiologique appelée stress. ## méthodologie nous avons eu l'opportunité d'observer 3 pilotes de f-16 lors d'un vol d'entraînement en simulateur. le simulateur de vol permet de recueillir des données dans un environnement contrôlé, tant en termes d'environnement acoustique que de déterminants de la tâche. ainsi, la tâche à réaliser est définie à l'avance par un scénario enchaînant diverses phases de vol. de ce point de vue, le simulateur de vol peut être considéré comme un excellent compromis entre les études réalisées en laboratoire et celles réalisées en situation réelle. ensuite, le contexte militaire permet de recruter des participants au profil relativement similaire (voir la simulation consistait en une mission d'interception lors d'un vol de nuit par deux chasseurs f-16, le sujet incarnant le second appareil (ailier). le décours temporel de cette simulation est présenté à la figure 1. tout d'abord, les deux appareils se dirigent vers l'aéronef inconnu et lui demandent de s'authentifier à plusieurs reprises (interception). suite à la non réaction de ce dernier, une phase de combat s'engage (combat aérien) : alors que le sujet doit aligner l'avion ennemi dans son viseur afin de l'abattre, il est pris pour cible par un missile sol-air et doit exécuter une manoeuvre d'évitement. quelques secondes plus tard, tous les systèmes électriques de l'avion se coupent (panne électrique), plusieurs alarmes se déclenchent et le sujet se retrouve dans le noir complet. rapidement, il doit sujet 1 sujet 2 sujet 3 âge 27 ans 25 ans 27 ans formation cadre auxiliaire cadre auxiliaire cadre de carrière initiale bac bac bac +5 niveau de formation basique formation au combat formation basique qualification au combat terminée au combat aucune mission nombre d'heures 150 350 200 de vol sur f-16 grade capitaine sous-lieutenant capitaine niveau d'anxiété moyen moyen moyen stai-y trait stratégie de coping évitement problème problème dominante distraction tâche tâche chaque mesure fréquentielle a été convertie en valeur harmonique (vh) obtenue par le logarithme en base 2 du rapport entre la valeur fréquentielle exprimée en hertz (f ) et une valeur de référence (r), la hauteur de la note de musique do 2 , soit 131 hz @xcite . cette conversion (figure 2 ) offre deux avantages : elle exprime la relation harmonique entre deux valeurs, indépendamment de la fréquence de départ, et tend à normaliser la distribution des données. afin de rendre comparables les mesures de f0 recueillies, nous avons calculé un écart mélodique (em) qui consiste en la différence entre chaque valeur harmonique et la valeur harmonique moyenne (v h lb ) obtenue à partir de la ligne de base de chaque pilote (phase d'interception sur la figure 1 ). tout d'abord, le niveau d'anxiété état a augmenté chez les trois pilotes, mais de façon différente. partant d'un niveau faible, les sujets 1 et 2 ont vu leur anxiété augmenter 2 (de 37 à 42, de 37 à 48) 2. les notes du stai-y sont comprises entre 20 et 80 (< 35 niveau d'anxiété très faible ; de 35 à 45 : niveau faible ; de 46 à 55 : niveau moyen ; de 56 à 65 : niveau élevé ; > 65 niveau très élevé). la figure 3 présente le niveau de stress ressenti par chacun des pilotes. il croît tout au long du scénario mais à des phases différentes pour chacun d'eux : le pilote 1 déclare que son stress augmente au cours de la phase 4 alors que cette hausse est ressentie à la phase 3 pour le pilote 3. le pilote 2 affirme avoir éprouvé une élévation de son stress lors des phases 2 et 4 ainsi qu'une légère baisse lors de la phase 3. le stress perçu diffère donc d'un individu à l'autre mais est systématiquement plus élevé à la fin de la simulation.