Copyright
© 2000-2015 LHERBAUDIERE


4 pages à l'impression
version initiale 2002
INFORMATION
dernière mise à jour
22 mars 2013
cliquez sur le mot avertissement ou information ci-dessus pour connaitre une info essentielle avant de lire ce module et n'hésitez pas à cliquer en bas de page sur l'icone sommaire du site ça vous ouvrira d'autres perspectives

CAPTEURS AUDIO et assimilés
(1/2) perception et transmission du son

perception du son généralités sur la perception
propagation du son et la transmission du son
.....  

Introduction

La production et la transmission des sons relèvent de la mécanique des vibrations c'est l'aspect physique du phénomène. Par contre la perception des sons relève de la physiologie et l'interprétation des sons via notre système auditif comporte une certaine subjectivité. C'est ainsi que les caractéristiques des systèmes d'enregistrement et de restitution du son devront pouvoir être adaptées à l'auditeur. Les plus anciens d'entre nous se souviennent de l'échec retentissant (mais provisoire) des constructeurs japonais de matériel HI-FI quand ils ont voulu inonder l'Europe de chaînes, conçues pour l'oreille japonaise, privilégiant les sons aigus au détriment des graves.

Nous allons donc, avant d'entrer dans le détail des capteurs de son, rappeler quelques notions d'acoustique et de physiologie, puis nous présenterons les divers principes à la base des microphones.

perception des sons

L'oreille perçoit un son (ou un bruit) chaque fois qu'une perturbation isolée ou périodique ébranle l'air environnant et frappe le tympan. Ensuite ce processus se poursuit par conduction "mécanique" via une suite de milieux élastiques jusqu'à un organe modulateur dont le signal sera transmis via le nerf auditif jusqu'à la zone cervicale chargée, après apprentissage, de le décoder et d'en tirer une interprétationpersonnelle, donc subjective.


Fig. oreille humaine et son modèle (source Larousse L3)

La première constatation c'est que le son a besoin pour se propager d'un milieu élastique, il ne se transmet pas dans le vide et mal dans les milieux alvéolaires, tels le polystyrène expansé ou le liège, ce qui justifie leur emploi en isolation.

Les propriétés particulières de notre système auditif limitent la sensation sonore dans le champ des fréquences et des intensités, ce qui ne signifie pas l'inexistence de signal acoustique hors de ce champ, non plus que l'absence de conséquences (en particulier physiologiques) de ces signaux inaudibles pour l'oreille humaine.

La sensibilité de l'oreille est maximale (en principe et sous réserve de n'avoir pas été fortement dégradée par la fréquentation de discothèques abusivement bruyantes) pour les fréquences moyennes. Ainsi, vers 2000 Hz, il suffit normalement d'une pression sonore de 2.10-5 Pa pour éveiller une sensation sonore. Par contre aux extrêmes la même impression (en terme d'intensité sonore) sera obtenue avec 2.10-1 Pa.



Fig. courbes du seuil d'audition et de douleur pour une oreille humaine moyenne.

Le diagramme ci-dessus traduit ce seuil limite moyen d'audition. On y a fait figurer également la courbe dite de limite tolérable, c'est à dire celle correspondant au seuil au dela duquel le son est perçu douloureusement. Ces courbes ont été déterminées il y a fort longtemps par les physiologistes (Fletcher et Munson dès 1933, puis d'autres, jusqu'à cette courbe normalisée diffusée par l'ISO en 1960) et correspondent donc à une moyenne humaine, mais de personnes n'ayant pas été perturbées par des conditions de stress auditif, excessives ou de durée anormale. Et l'on voit bien sur ce diagramme la proximité des deux courbes vers les basses fréquences, ce qui explique aisément, d'une part, qu'une très faible variation du réglage de puissance acoustique puisse faire passer de la limite d'inaudibilité à celle d'intolérance, et d'autre part, en raison de la variabilité de l'oreille humaine, que certaines personnes n'entendent rien (et donc ne se sentent pas génées, mais les conséquences physiologiques sont alors plus graves) alors que d'autres, dans les mêmes conditions, sont extrêmement génées.

Notons enfin que rester longuement soumis à des pressions extrêmes hautes ou basses conduit à une destruction progressive du système auditif (par réduction de l'amplitude de la modulation transmise au système nerveux) ce qui conduit l'auditeur à accroître le gain de son amplificateur pour entendre et participe donc à l'aggravation du processus. Les tests faits sur des jeunes de 20 ans, à l'occasion du service national lorsqu'il existait encore, montrent ainsi que plus de 30% de ceux-ci avaient perdu environ 20% et parfois beaucoup plus de leur acuité auditive en raison de l'abus du balladeur essentiellement, mais aussi de la musique techno.

Précisons l'existence d'infra-sons, c'est à dire de vibrations acoustiques totalement inaudibles à l'oreille humaine (<20Hz) mais dont la dangerosité est bien connue (induisant maux de tête et pouvant aller jusqu'à la destruction cellulaire chez l'homme, et pouvant même provoquer des destructions de bâtiment, voire des avalanches) et les ultrasons (>20KHz) exploités en analyse non destructrice (médicale et industrielle).

propagation des sons

Le son se propage avec une vitesse finie qui dépend des caractéristiques du milieu. Si le milieu de transmission est absolument rigide, celle ci est instantanée, ce qui revient à dire que la vitesse de transmission est alors infinie. En pratique un tel milieu n'existe pas, mais la rigidité varie sensiblement d'un milieu à un autre ce qui explique la différence de vitesse de transmission (c'est d'ailleurs cette propriété qui sera exploitée pour identifier un défaut de type bulle d'air dans une pièce métallique par analyse ultra sonore, de même qu'en échographie médicale). Ainsi dans l'air, en conditions normales, elle est de 340m/s, contre environ 1400m/s dans l'eau et 5000m/s dans l'acier.

Si la perturbation à l'origine du son est créée en un point d'un milieu homogène, l'onde se propage également dans toutes les directions, on dit qu'elle est sphérique. Par contre si elle est créée dans un tube relativement étroit, les particules atteintes simultanément par l'onde dans le tube sont situées dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube et il s'agit alors d'une onde plane.

Et, bien évidemment, lorsqu'il s'agira d'enregistrer des sons (tels par ex un concert symphonique) on imagine aisément qu'on sera en présence d'un mélange complexe d'ondes planes et d'ondes sphériques et que le positionnement des microphones ne sera donc pas du tout anodin (cette remarque vaut aussi pour les microphones liés aux amplis dans n'importe quelle salle de concert et il est fréquent de constater, malgré l'utilisation de matériel sophistiqué avec de gigantesques pupitres de réglage, l'incompétence du responsable soit-disant "ingénieur du son").

Afin d'illustrer cette complexité, nous allons examiner la propagation des ondes longitudinales dans les gaz, dans un tuyau cylindrique à l'extrémité duquel se trouve un piston animé d'un mouvement sinusoïdal.


Fig. propagation des ondes planes dans un tuyau

Lorsque le mouvement du piston est vers la gauche une onde "dilatée" se propage de A vers B, à l'inverse lorsque le mouvement du piston est vers la droite c'est une onde "condensée". Ainsi, si le mouvement du piston est sinusoïdal, on imagine aisément qu'on va obtenir une suite d'ondes variant sinusoïdalement qui va se propager. Quand l'onde arrive en B, elle se réfléchit et deux cas sont à considérer : Pour établir l'équation de propagation des ondes longitudinales nous allons considérer une onde plane se propageant dans le tuyau, et plus particulièrement ce qui se passe dans une tranche située à l'abscisse x du piston et d'épaisseur dx. Et pour alléger l'écriture nous considérerons que le tuyau a une section unitaire. Ainsi le volume dans cette tranche sera V=dx et, si désigne la masse volumique du gaz, la masse en mouvement seradx. A l'instant t, compte tenu du mouvement, le plan x se sera déplacé d'une quantité s (fonction de t mais aussi de x a priori) et le plan x+dx s'est donc déplacé de s+(s/x)dx et le nouveau volume de la masse de fluide en mouvement s'exprime par V'=dx+(s/x)dx

Si on appelle p0 la pression à l'instant initial (0) au plan d'abscisse x, et p celle à l'instant t (en x+dx), on admettra que cette variation de pression dp=p-p0, dans le volume considéré, est faible et est proprotionnelle à la variation relative de volume =ds/dx (c'est à dire la dilatation). Si est le coefficient de compressibilité du fluide que l'on peut exprimer par la relation on en déduit la variation de pression au second plan limite du volume considéré On en conclut aisément que la force qui s'exerce sur cet élément de volume est égale à la différence des pressions aux deux extrémités de la tranche, soit
s étant le déplacement de l'extrémité de la tranche au bout du temps t sa vitesse est ds/dt de même son accélération d2s/dt2 en remplaçant dans l'expression de F=m on obtient l'équation de propagation du déplacement

Cette équation, dans laquelle on pose généralement 1/ = c2 (carré d'une vitesse), a de nombreuses solutions du type
s = f(t-x/c)+h(t+x/c) où les fonctions f et h sont arbitraires.

La fonction f qui vaut f(t-x0/c) à l'instant t au point d'abscisse x0 aura la même valeur au point d'abscisse x1,
à l'instant t1 = t+(x1-x0)/c ce qui correspond à une onde se déplaçant avec une célérité c dans le sens des x croissants et la fonction h représente la même onde se déplaçant avec la même célérité, mais en sens inverse, et le mouvement résultant est la somme des deux.

En reprenant l'expression de la relation de propagation aux dérivées partielles on montre aussi que c'est à dire que pression et déplacement suivent la même loi.