Dans quelle mesure les avancées techniques permettront-elles aux malentendants et aux sourds d'avoir une acuité auditive proche de celle des entendants ?
Les Caractéristiques du son
Il existe trois paramètres pour définir un son:
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L’intensité : son niveau sonore
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La fréquence : sa hauteur
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Le timbre : la “richesse” du son
L'amplitude
L'amplitude correspond aux variations de pression de l'onde, elle se mesure en Pascal: Pa. L'intensité sonore représente la variation de la presion du milieu dans lequel s’est produite l’onde acoustique.
L'intensité perçue d'un son dépend entre autres de l'amplitude. Le son peut être doux ou fort, en musique on dit "forte" ou "piano". Plus simplement, l'amplitude est la valeur de la pression maximale atteinte par l'onde en fonction du temps. Plus l'amplitude est importante, plus le son est fort, inversement moins l'amplitude est importante, moins le son est fort.
S'il n’y a pas de son, la pression du milieu est égale à p0, correspondant à la pression atmosphérique.
p0=10^5 Pa
Lorsqu’une onde sonore passe dans un milieu, la pression de ce milieu peut augmenter; c’est une surpression (ou compression) ou peut diminuer; c’est une dépression (ou raréfaction). L’amplitude correspond donc à la surpression maximale.
La variation de pression ou amplitude: Δp=p-p0 s’appelle la pression acoustique.
La pression acoustique est donc la variation de pression de l'air (ou de tout autre milieu fluide) au passage de l'onde sonore.
Les points modélisent les molécules et atomes présents dans un milieu. Les points plus rapprochés modélisent l'augmentation de la pression entre les molécules.
La vibration acoustique qui se propage dans un milieu modifie spatiallement et temporellement les caractéristiques du milieu, elle modifie la pression. Cela peut est représenté par la formule suivante:
p(r,t)=po+δp(r,t)
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po correspond à la pression d’équilibre du milieu, sans onde acoustique
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δp(r,t) correspond à la surpression ou dépression locale crée par le passage de l’onde acoustique; cette grandeur peut être positive (surpression) ou négative (dépression) et est généralement à valeur moyenne nulle (noeud)
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p(r,t) est la pression totale, locale et instantanée
L'amplitude étant une puissance par unité de surface, elle peut se mesurer en W/m^2. Le seuil de douleur est de 1 W/m^2. L’intensité la plus faible perçue par l’oreille humaine est de 10^-12 W/m^2. Notre oreille peut donc entendre, en toute sécurité, une grande fourchette d’intensités. L'intensité d'un son (les variations de pression d'un milieu) peut se mesurer en décibel (dB) qui est une unité plus pratique.
1dB=1/10Bel
Dans cette unité, le seuil d’audition de notre oreille est à 0dB et le seuil de douleur à 120dB.
Le décibel utilise une échelle logarithmique, il faut donc une valeur de référence: X0. Celle choisie correspond au seuil d'audibilité de l'oreille soit une pression de 20μPa. On définit alors le logarithme, en base de 10, selon le rapport X/X0 avec X étant une grandeur physique à mesurer. Le décibel est défini comme:
dB=10*log (X/X0)
Le décibel est utilisé pour faciliter l’expression de l’énergie d’une onde acoustique, cependant nous préférons utiliser les pressions acoustiques plutôt que les énergies. Il existe une relation qui dit que le carré de la pression est directement lié à l’énergie transporté par l’onde acoustique qui se propage. On utilise donc la formule 20*log (p/p0)pour quantifier la pression acoustique et 10*log(E/E0) pour quantifier l’énergie ou l'intensité acoustique.
Pourquoi utiliser une échelle acoustique (les décibels) ?
Deux raisons principales:
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L’oreille humaine peut percevoir une très grande gamme d'amplitudes sonores, nous entendons de 0 à 120 dB soit un rapport de puissance sonore de 1 à 1 000 000 000 000 . il y a un très grand rapport entre les fréquences maximale et minimale, de même pour le rapport entre le seuil d’audibilité et celui de la douleur.
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L’oreille humaine n’a pas une progression linéaire de la sensation du niveau sonore. La sensation que l’on a de la force d’un son est plus liée au logarithme de l’intensité sonore qu’à l’intensité sonore elle-même.
Cependant du fait de l’utilisation d’une échelle logarithmique, les dB ne peuvent pas s’additionner directement; en effet, l’addition des décibels se fait de manière logarithmique. Deux sources d’un niveau sonore de 70dB ne donnent pas au final une source sonore de 140dB mais de 73 dB. Lorsque l’on double l'intensité d'un son, son niveau sonore ne double pas mais augmente de 3 dB, tandis que lorsque l’on double la sensation sonore, il faut ajouter 10dB ,ou multiplier la source par 10.
Voici l'augmentation du niveau sonore en dB et les changement créés dans la perception auditive:
3dB: Différence à peine audible
5dB: Différence audible
10dB: Sensation doublée
15dB: Large différence
20dB: Sensation quadruplée
Comme pour le soleil, le danger vient du rapport entre le temps d’exposition et son intensité. a chaque niveau sonore correspond une durée maximale hebdomadaire d’exposition tolérable
Le son commence à être dangereux pour l’oreille à partir 90dB au delà la douleur n’est pas ressentie mais il existe un risque de lésion irréversible pur l’oreille. Le danger dépend à la fois du niveau sonore et de la durée d’exposition. Le seuil de douleur est atteint à partir de 120dB. Parallèlement il suffit de s’éloigner de la source pour perdre en intensité. D’une manière générale l’intensité sonore est divisée par 4 quand on double la distance nous séparant de la source.
La Fréquence. Quézako?!
La fréquence (f) d'un son est le nombre d’oscillations périodiques, soit le nombre de motifs élémentaires, par seconde. Il est mesuré en Hertz (Hz). Une fréquence de 100 Hz correspond à 100 oscillations par seconde. La fréquence est l’inverse de la période, la période (T) étant la durée nécessaire pour obtenir un motif élémentaire, elle s'exprime en seconde. Pour reprendre l'exemple précédent, une fréquence de 100 Hz a 1 motif élémentaire en 10 ms.
Il existe une relation entre la période T et la fréquence f:
La longueur d’onde (λ) est un facteur qui représente la distance la plus courte séparant deux points en phase d'une onde, elle s'exprime en mètre. Il existe une relation entre la longueur d'onde et la fréquence:
Pour un vitesse donnée, plus la fréquence augmente, plus la longueur d'onde diminue.
Sur l'image ci-contre, pour un même temps: 1sec, le premier graphique montre une longueur d'onde plus grande (f=1Hz) que sur le deuxième graphique (f=10Hz).
Plus un son est aigu et plus sa fréquence sera haute donc plus les oscillations seront rapprochées. Plus un son est grave plus sa fréquence sera basse donc plus les oscillations seront éloignées.
Les limites haute et basse de la zone audible dépendent des espèces; l’être humain peut entendre une grande fourchette de fréquences, allant de 20 à 20 000 Hz. Au dessous de 20Hz, ce sont les infrasons, audibles par exemple par les éléphants et les taupes. Au dessus de 20 000Hz, ce sont les ultrasons, entendus par les dauphins et chauves-souris.
Au sein d’une même espèce, les limites des fréquences audibles peuvent varier d’un individu à l’autre en fonction de son sexe, de son âge... Par exemple, en vieillisant, les êtres humains perdent d’abord les sons aigus.
Vous voulez tester votre audition ? http://plasticity.szynalski.com/tone-generator.htm
Le phénomène de perte des sons aigus a été utilisé, en Grande-Bretagne, pour se débarasser d'adolescents "indésirables" dans les halls d'immeubles. Des boîtiers "anti-jeunes" ont été installés, ils diffusent des sons de très haute fréquence (16 000Hz) qui ne sont plus audibles dès 25-30 ans. Le bruit, qui n'est pas douloureux devient très irritant au bout de 5 à 10 minutes.
Il existe plusieurs fréquences:
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Fréquences graves : 20 à 200Hz
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Fréquences moyennes : 200 à 2 000Hz
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Fréquences aiguës : 2 000 à 20 000Hz
Nos oreilles sont plus sensibles aux fréquences médium et aigues, qui sont celles de la voix.
Timbre
Le timbre c’est la richesse sonore. Une même note jouée sur deux instruments différents ne donnera pas au final le même son. Cela n'est pas du à la hauteur de la note, ni à son volume, mais à son timbre !
Chaque onde sonore est formée de plusieurs sons qui se superposent:
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La fréquence fondamentale, la base, qui donne au son sa nature de note musicale avec une hauteur et une fréquence F
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Les harmoniques, qui son d'autres ondes, moins perceptibles dont les fréquences sont des multiples de F: 2F; 3F; 4F; 5F; 6F…
Un son pur n'est composé que d'une seule fréquence tandis qu'un son musical a une fréquence fondamentale et des fréquences harmoniques. Le son produit par une vibration sinusoïdale (son pur) est désagréable à entendre. C'est pourquoi, nous apprécions les sons produits par les instruments de musique ou par la voix, qui sont des sons complexes et périodiques (qui se répètent).
Le nombre d'harmoniques présents dans un son, le modifie:
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Un son riche ou simple contient beaucoup d’harmoniques, c’est la cas, par exemple, des sons d’une trompette ou d’une clarinette.
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Un son pauvre ou complexe en harmoniques paraîtra terne à notre oreille car ne contient qu'une seule fréquence, c’est le cas, par exemple, des sons graves émis par une flûte à bec.
C’est donc la richesse en harmonique d’un instrument qui détermine le timbre d’un instrument.
Les points d'amplitude maximale sont appelés ventres de vibration et ceux d'amplitude nulle sont les noeuds. Le nombre d'harmoniques est représenté par le nombre de noeuds de vibrations.
La fréquence fondamentale est toujours la fréquence la plus grave du son, soit celle avec la plus grande longueur d'onde. Il y a forcément une fondamentale car un son est une vibration périodique de l'air. Si le phénomène n'est pas périodique, ce n'est pas un son mais un bruit.
Les harmoniques donnent la “couleur”, le “timbre” du son. C'est ainsi à cause de la complexité des musiques que depuis des siècles, les être humains sont mélomanes !
Courbes de Fletcher et Munson:
Les noms des deux scientifiques qui ont réalisés des courbes, aussi appelées “isosoniques”, montrant que deux sons de hauteur différente (fréquence) ne sont pas perçus avec la même intensité par l’oreille. Ainsi un son de 40 décibels produira une sensation auditive plus forte pour une fréquence de 1000 Hz que pour une fréquence de 100Hz. L’impression de volume sonore et le niveau de pression sonore n’ont pas de relation simple.
La sensibilité de l’oreille dépend de la fréquence, et c’est notamment les résonances de l’oreille externe, dans le médium, qui amplifient la pression sonore appliquée au tympan.
Les courbes représentent la sensibilité moyenne de l’oreille (mesures effectuées sur plusieurs personnes) pour une plage de fréquence audibles.
Ces courbes sont en “phones”, le niveau en phones est égal à l’intensité en décibels d’une fréquence de 1000 Hz, soit la fréquence moyenne de la parole. Les courbes montrent, pour chacunes des fréquences du spectre audible, le niveau de pression acoustique nécessaire à la perception d'un son d’une même intensité, d’où le terme “courbe d’égale (iso) sensation sonore (sonique)”
Sur la courbe isosonique suivante, sont représentés le seuil de douleur, le seuil d'audition et l'aire d'audibilité:
Les courbes d’isosonie mesurent la pression sonore (en dB SPL) pour laquelle un auditeur perçoit un volume constant quand on lui présente des sons purs sur l'ensemble du spectre audible. Cela permet donc de connaître la pression sonore nécessaire selon la fréquence pour avoir une sensation de volume identique.
Voici des sons purs, à -6dB. On observe qu'au fur et à mesure que la fréquence augmente, la sensation sonore augmente.
(Les enceintes d'ordinateur ne peuvent transmettre les sons de 50 et 100 Hz, afin de réaliser l'expérience munissez-vous d'un casque audio).
La durée d’un son, le timbre et le profil dynamique influent également notre sensation de volume. Pour un même volume, une courte impulsion est ressentie moins forte qu’un son tenu de même qu'un son distordu parait plus fort qu’un son non distordu.
Il faut être prudent, car le danger augmente pour certaines fréquences, les fréquences graves et aiguës. Cela est dû au changement de sensibilité de notre oreille pour ces fréquences. Pour avoir la même sensation de volume il faut augmenter ou diminuer la pression sonore, donc augmenter ou diminuer le risque.
Ci dessous, ce sont les limites des différents domaines de l'acoustique en fonction de la fréquence de la vibration et en fonction du niveau sonore.
