L'onde sonore : réalités physiques et perception
Résumé
Au sens de la théorie de l'information, la communication parlée est un processus d'émission/réception d'un message dont le support physique est constitué principalement par une onde acoustique. Aussi, nous exposerons, dans ce chapitre, des notions générales d'acoustique mais aussi des aspects plus spécifiques à la parole.
L'onde acoustique
Un son correspond à un ébranlement répétitif des molécules d’air qui, sous l'effet d'une excitation mécanique comme une membrane de haut-parleur, reçoivent une impulsion qui les met en mouvement dans une certaine direction. Elles rencontrent alors d'autres molécules qu'elles poussent devant elle, formant ainsi une zone de compression. L'air étant élastique, la zone comprimée ne tarde pas à se détendre, ce qui entraîne une compression dans la région limitrophe. Le phénomène se propage ainsi de proche en proche à environ 340 m/s dans l’air. L'ordre de grandeur des pressions acoustiques reste faible : le seuil d'audibilité correspond à une valeur de 0.00002 Pascal (Pa), un conversation soutenue à environ 1 Pa, un avion à réaction à 200 Pa. Le microphone, capteur de son par excellence, permet d'enregistrer les variations de pression de l'air se situant dans la gamme précédemment décrite. Son rôle est de fournir une tension électrique proportionnelle aux variations de pression acoustique.
Physique et perception d’un son simple
Un son pur est constitué d’une oscillation simple vibrant à une période et une amplitude données. La période T correspond à la durée d'un cycle de vibration. Elle s'exprime en secondes (s) ou en millisecondes (ms). La fréquence F est l'inverse de la période et s'exprime en hertz (Hz). Elle correspond au nombre de cycles par seconde : F = 1/T
Un son grave, basse fréquence, possède une longue période et un son aigu, haute fréquence, a une courte période.
Le système auditif humain est sensible aux vibrations comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz. Les vibrations en dessous de 20Hz sont appelées infra-sons. Les ultrasons se situent au dessus de 20 000 Hz. La hauteur est une notion liée essentiellement à la perception de la fréquence d'un son. Par définition, l'intervalle entre deux hauteurs ne se mesure pas par la différence des fréquences mais par leur rapport. L'octave correspond à un doublement de fréquence. Dans la gamme de la musique occidentale, un octave a été divisé en 12 intervalles égaux appelés demi-tons qui donnent lieu aux douze notes de la gamme.
L'amplitude correspond à l'ampleur de la vibration et s'exprime en Pascal (Pa) car il s'agit d'une mesure de pression acoustique. D'un point de vue perceptif, plus un son a une amplitude importante, plus il sera perçu fort. Sachant que la puissance sonore peut varier d'une fraction de microwatt pour le tic-tac d'une montre à des dizaines de kilowatts pour un réacteur d'avion, il s'avère peu pratique de manipuler une telle étendue de valeurs (Bourcet et Liénard, 1987). Aussi, afin de réduire cette très large gamme de valeurs, les physiciens ont pris l'habitude d'exprimer la puissance, l'intensité ou l’amplitude en décibels, transformation logarithmique qui s'est généralisée en acoustique du fait de la bonne corrélation entre cette échelle logarithmique et la perception auditive. En effet, d'après la loi de Weber-Fechner, qui s'applique d'ailleurs à d'autres sens que l'audition, la sensation varie comme le logarithme de l'excitation (Kitantou, 1987). Ceci a d'importantes conséquences pratiques. Un affaiblissement de trois décibels correspond à une division par deux de la puissance sonore mais cette baisse est à peine sensible. De plus, Fletcher et Munson (Fletcher et Munson, 1933) ont montré qu'une autre non linéarité intervient entre perception et réalité physique, liée aux fréquences des sons. Ils constataient, par exemple, qu'un son de 40 dB SPL à 1000 Hz devait être produit à 60 dB SPL à 100Hz pour être perçu au même niveau sonore. Ces travaux ont donné lieu à différentes échelles perceptives comme l'échelle des phones, les courbes d'isosonie ainsi que la notion d’intensité "subjective".
La réalité sonore complexe
Dans la réalité, un son est complexe. Le théorème de Fourier démontre qu’un signal de forme quelconque peut être décomposé en un ensemble de signaux élémentaires d’amplitude et de fréquences déterminées. Inversement, un mélange de signaux sinusoïdaux émis simultanément produit un signal complexe. Le spectre d’un signal, obtenu par transformée de Fourier, indique les caractéristiques en amplitude et en fréquence des ondes sinusoïdales élémentaires qui composent le signal.
Un son est dit périodique s’il oscille de façon régulière (cyclique). Le cycle de base correspond à la fréquence fondamentale notée F0. Les fréquences multiples de la fondamentale sont appelées les harmoniques. Le spectre d’un signal périodique comporte des raies correspondant à la fréquence fondamentale et ses harmoniques (ex : voyelles, consonnes voisées, flûte, piano…) Tous les sons ne sont pas périodiques. Un coup de cymbale, le bruit du vent, les consonnes /p/, /t/, /k/, /f/, /s/… sont des sons apériodiques. Cela signifie qu'on ne retrouve pas dans le décours temporel du signal un aspect cyclique. De même, dans le spectre, la structure de raie a disparu au bénéfice d'une répartition diffuse. Le timbre correspond à la sensation auditive du spectre. A ce terme sont souvent associés les notions de signature, couleur, identité du son. En effet, c’est par la perception précise du timbre qu’on reconnaît à l’oreille les différents sons de la parole, les locuteurs, les instruments de musique…
Les aspects dynamiques de l'onde sonore
Que ce soit en fréquence, en amplitude ou en composition spectrale, les sons ont des caractéristiques qui évoluent dans le temps. La fréquence fondamentale F0 varie non seulement d'un individu à l'autre, mais pour un même individu, elle varie aussi au cours de son élocution, donnant lieu à la musicalité de la communication chantée et parlée. De la même façon, la parole est caractérisée par des variations d'intensité liées d'une part à des phénomènes intrinsèques (ex : voyelles plus énergétiques que consonnes) mais aussi dans une optique communicative (focalisation, insistance). Ces capacités à moduler l’intensité et la fréquence fondamentale du signal de parole rendent compte d'une bonne maîtrise vocale, les patients dysphoniques ayant pour leur part une étendue réduite.
Un son qui n'a pas de variations spectrales est équivalent à une image monochrome. Bien évidemment, la plupart des ondes sonores ont une composition spectrale qui varie dans le temps, en particulier la parole. Un spectrogramme est une représentation temps-fréquence qui permet de visualiser l'évolution du spectre au cours du temps.
Conclusion
L'analyse acoustique de la parole, notamment pathologique, ne nécessite pas nécessairement un savoir encyclopédique en mécanique ou sur les théories des ondes. Quelques connaissances fondamentales sont nécessaires pour appréhender les phénomènes observés. Par contre, il ne faut pas perdre de vue le décalage qu'il existe entre les données physiques et la perception, la relation de l'un vers l'autre étant très souvent non linéaire.
Origine : Accord explicite pour ce dépôt
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