COURS de PHYSIQUE

1. COURS de PHYSIQUE Mohamed Chetouani mohamed.chetouani@upmc.fr Institut Systèmes Intelligents et Robotique (ISIR) Université Pierre et Marie Curie-Paris 6 CNRS FRE 2507 France

2. Plan • Introduction • Quelques définitions • Représentation des sons • Mouvements Vibratoires • Phénomènes liés à la propagation • Prise de sons: Quelques conseils • Qualités physiologiques des sons

3. Introduction • Utilité d’un cours de Physique en Orthophonie? • Représentation des signaux • Compréhensionde phénomènes physiques tels que la propagation des sons • Estimation de la « qualité » d’un son • Accessoirement (?): améliorer la prise de son lors des séances orthophoniques

4. Introduction • Module 1: • Audition • Module 2: • Phonation • Acoustique • Module 5: • Phonétique

5. Définitions • Définition d’un son : • Tout événement perçu par nos oreilles (?). • Le son est la vibration mécanique d’un support gazeux, liquide ou solide. • L’élasticité du milieu permet au son de rayonner depuis la source sous forme d’ondes.

6. Définitions • Production d’un son: • Le son est la conséquence d’une interaction mécanique particulière entre deux structures. • Les vibrations causent des variations de pression atmosphérique dans l’air. • Les variations se propagent dans l’air (à la vitesse du son). • Propagation dans un milieu sous forme d’ondes sonores.

7. Définitions • Les éléments matériels qui produisent un son sont appelés source sonore. • La source sonore vibre. • L’événement sonore se développe dans tout l’espace l’environnant (difficulté de représentation de la totalité de cet événement).

8. Définitions • Lors de la propagation d’un son, seule la variation de pression se déplace et non l’air. • Pas de propagation dans le vide • Les ondes sonores sont des variations de pressions entre les molécules de l’air.

9. Principe • Eléments nécessaires pour l’existenced’un son: • Une source qui produit un son (haut-parleur, diapason, …) • Un milieu qui transmet le son (air, gaz, eau,…) • Un récepteur (oreille, microphone, …)

10. Cas de la production humaine • Propagation d’un son voisé (voyelle par exemple): • Une source (excitation) • Cordes vocales pour les sons voisés. • Un milieu • L’air: propagation à 340m/s • Une cavité de résonance (amplification de certaines fréquences): • Conduit vocal • Modèle Source-Filtre

11. Signal Sonore • L’acquisition par un microphone ne donne qu’une « image » ponctuelle de l’événement sonore. • Cette représentation ponctuelle est appelée signal sonore.

12. Information locuteur Environnement sonore Contenu linguistique: phonème, langue Quelles sont les informations présentes dans le signal? • Prenons l’exemple d’un signal de parole • Le signal de parole contient plusieurs informations: Entraînant une grande variabilité du signal.

13. Caractérisation d’un signal • Critères d’appréciation: • Intelligibilité: • Capacité à percevoir correctement l’information sonore. • Gêne occasionnée: • Son trop fort, dure trop longtemps,… • Esthétique: • Harmonie, nature de la voix, des instruments,…

14. Caractérisation d’un signal • Exemple de l’intelligibilité: • Un locuteur A parle à un locuteur B dans un environnement bruité: • Transmission de la moitié des mots • Transmission du sens (B comprend l’ensemble de la communication) • Mesure de l’intelligibilité? • Tests de perception • Relation avec des phénomènes physiques: localisation de la source, durée des sons, …

15. Caractérisation d’un signal • Babble Noise: 100 personnes à la cantine

16. Caractérisation d’un signal • Exemple de sons: Voiture à l’arrêt Voiture à 33 mpH (fenêtre ouverte) Voiture à 55 mpH (fenêtre ouverte)

17. Caractérisation d’un signal • On a toujours tendance à essayer de se faire comprendre….

18. Caractérisation d’un signal • Gêne occasionnée • Facile à percevoir mais dépend des personnes. • Son trop fort, trop long • Son agressif: • Par exemple: bip sonore aléatoire • Son désagréable (?): des sons vraiment pas esthétiques… • Exemple: bruit de la craie crisse contre le tableau. • Relation avec des phénomènes physiques: localisation de la source, intensité, durée, hauteur,…

19. Caractérisation d’un signal • Esthétique • Difficile à définir mais on reconnaît très rapidement des sons qui nous déplaisent… • Harmonie: parfois tout simplement un équilibre entre son et silence… • Bien-être auditif. • La musique comporte pleinement une dimension esthétique.

20. Caractérisation d’un signal • Objectifs du cours: • Comprendre la relation entre les phénomènes physiques et ce que nous percevons, qualifions, produisons, … • Besoins: • Représentation du signal sonore • Principales caractéristiques auditives d’un signal • Propagation d’un signal sonore • Qualités physiologiques des sons (psycho-acoustique)

21. Caractéristique d’un signal sonore • Son périodique: • Répétition d’un motif • Son apériodique: • Pas de motif mais pas forcément aléatoire • Exemple: exponentielle, droite, … • Bruit: • Vibration aléatoire • La notion peut-être différente de que l’on perçoit (gêne) • Exemple: certains phonèmes sont modélisés par des bruits.

22. Sons périodiques • Un son périodique peut-être simple ou complexe: • Un son périodique simple est composé d’une seule sinusoïde • Relation avec l’onde périodique simple: • Une seule onde sinusoïdale • Exemple: Le diapason

23. Sons périodiques • Une onde périodique complexe est composée d’une somme d’ondes sinusoïdales simples. • Les sons de la parole sont des ondes complexes.

24. Analyse d’un son pur • Exemple le plus simple d’un signal périodique: • La sinusoïde • Caractéristiques physiques: • Période • Fréquence • Amplitude

25. Analyse d’un son pur • Période: • Le signal se reproduit identiquement à lui même à un intervalle temporel régulier. • Cet intervalle régulier est appelé période, notée T et mesurée en secondes.

26. Analyse d’un son pur • Fréquence: • La fréquence d’un signal représente le nombre d’oscillations par seconde. • L’unité de la fréquence est le Hertz • C’est l’inverse de la période: • f=1/T

27. Analyse d’un son pur • Amplitude : • Souvent mesurée en décibels • Dépend de « l’intensité » du son

28. Analyse d’un son pur • Spectre: • Le spectre permet d’étudier le « contenu fréquentiel » d’un signal • Même contenu mais sous une forme différente • Exemple de représentation:  Représentation fréquentielle Représentation temporelle

29. Relation avec l’onde pure • Rappels: • Le son est une vibration: • Propagation d’une onde sonore • Le signal sonore est une « image ponctuelle » de l’onde Relation temps-distance (partie propagation des sons):

30. Analyse d’un son pur • Interprétation de la notion de fréquence: • Plus la fréquence est basse, plus le son est grave • Plus la fréquence est haute, plus le son est aigu  Son avec une fréquence de 1100Hz  Son avec une fréquence de 220Hz

31. Modification des paramètres d’un signal pur • Modification de l’amplitude:  Doublement de l’amplitude => Son deux fois plus fort

32. Modification des paramètres d’un signal pur Est-ce que l’on peut faire la différence?  Son avec une amplitude A  Son avec une amplitude 2*A

33. Modification des paramètres d’un signal pur • Modification de la fréquence:  Doublement de la fréquence => Son plus aigu

34. Modification des paramètres d’un signal pur • Notion d’octave • L’octave est l’intervalle entre deux fréquences tel que f2=2*f1  Doublement de la fréquence => Son plus aigu

35. Modification des paramètres d’un signal pur • Perception d’une octave  Son à 220Hz  Son à 440Hz Doublement de la fréquence => Son plus aigu

36. Modification des paramètres d’un signal pur • Perception de 2 octaves  Son à 220Hz  Son à 440Hz  Son à 880Hz

37. Modification des paramètres d’un signal pur • Changement de fréquences  Son à 220Hz  Son à 440Hz • Son à 660Hz (ce n’est pas une octave!!!)  Son à 880Hz

38. Analyse sons complexes • Association de sons purs: • Attention la somme des ondes simples sont émises par la même source sonore. • Superposition: • Lorsqu’un point reçoit au même instant t deux oscillations X1(t) et X2(t), la résultante est la somme des deux oscillations: • X(t) = X1(t) + X2(t)

39. Analyse sons complexes Superposition: • Signaux avec f1=220Hz et f2=440Hz

40. Analyse sons complexes Sinus 220Hz Somme des 2 sinusoïdes Sinus 440Hz

41. Analyse sons complexes Sinus 220Hz Somme des 2 sinusoïdes Sinus 440Hz

42. Analyse sons complexes Représentation temporelle Représentation fréquentielle

43. Analyse sons complexes Déphasage entre deux sons purs: • Superposition de deux signaux • f1=440Hz (même fréquence) • Mais qui ne démarrent pas en même temps L’angle  est la phase à l’origine (en radians).

44. Analyse sons complexes Déphasage entre deux sons purs: •  est la pulsation (rad/s) • (t- ) représente la phase instantanée (radians) • L’angle  est la phase à l’origine. • Décalage temporel à l’origine  (s) Avec T période du signal.

45. Analyse sons complexes Déphasage entre deux sons purs:

46. Déphasage-Retard Différence entre un signal retardé et déphasé:

47. Déphasage-Retard Différence entre un signal retardé et déphasé: Le signal n’est pas périodique!!!!!

48. Analyse sons complexes Déphasage entre deux sons purs: Déphasage de 0 rad (=0 rad) : Les deux signaux sont superposés (pas de décalage)

49. Analyse sons complexes Déphasage entre deux sons purs: Déphasage de  rad : Les deux signaux sont en opposition de phase

50. Analyse sons complexes