La perception sonore

 

 

L'oreille humaine


L'oreille évidement l’instrument principale de la perception sonore, C’est une merveilleuse machine à capter et à analyser les vibrations sonores, elle est extrêmement performante et sensible, mais aussi très fragile. Une exposition de quelques heures à des sons d'un niveau dépassant 90 DB peut déjà produire des troubles auditifs qui risquent de devenir permanents, quelques secondes à plus de 120 Bd et l'oreille est définitivement endommagée !
 
L'oreille se divise en trois parties
         Oreille externe

Oreille moyenne

Oreille interne

 

L’oreille externe (le pavillon) 


C’est la partie visible, elle a pour rôle de protéger l'oreille et sa forme amplifie d'un facteur 2 les sons un peu comme un cornet acoustique
 

L'oreille moyenne


Elle est isolée du monde extérieur par le tympan, cette fine membrane associée au pavillon filtre le spectre sonore pour favoriser la zone entre 1000 Hz et 4000 Hz (particulièrement utile à la compréhension de la parole). Le marteau, l'enclume et l'étrier sont des os minuscules mis en mouvement par les vibrations du tympan, leur rôle est d’amplifier les vibrations par un système de levier pour les appliquer à la fenêtre ovale. La différence de surface entre le tympan et la fenêtre ovale ajoutée au mécanisme des osselets amplifie l'onde sonore d'un facteur de 90 (presque 20 DB !). Des muscles fixés à la chaîne des osselets peuvent réduire l'amplitude des vibrations par un phénomène réflexe dès que le niveau sonore dépasse 80 DB.
 

L’oreille interne


La fenêtre ovale transmet les vibrations au liquide qui rempli l'oreille interne. Les cellules cillées qui tapissent la membrane basilaire sont sensibles aux mouvements du liquide, la forme de cette membrane et la variation progressive de son épaisseur permet de modifier la sensibilité des cellules cillées en fonction de la fréquence, cela explique en grande partie comment l'oreille capte le son par analyse spectrale.
 

Le cerveau, la quatrième partie ?


L'étape suivante est effectuée par les 35 000 fibres nerveuses qui envoient des impulsions au cerveau qui en extrait des informations spatiales et temporelles C’est le cerveau qui analyse les sons et comprend leur signification, grâce a lui les performance de notre audition son vraiment étonnantes.

 

Les limites de la perception


Limite basse


Dans le grave elle a longtemps été fixée à 16 Hz. Les études les plus récentes démontrent qu’à un niveau acoustique de 110 DB les fréquences inférieures à 30 Hz ne sont plus perceptibles par la plupart des auditeurs. Il est donc inutile de vouloir reproduire des sons plus graves, il est déjà assez difficile d’atteindre ces fameux 30 Hz avec une bonne qualité de reproduction et une tenue en puissance suffisante.

Pour ces fréquences l’oreille n’est pas notre seul capteur, les vibrations de moins de moins 10 à plus 100 Hz sont aussi perçues directement par le corps humain grâce au sens du touché (particulièrement les parois de l'abdomen, mais aussi les pieds en contact avec le sol ou les mains, ou encore votre postérieur sur son siège !)

Les sons musicaux sont en général un mélange complexe de sons de déférentes fréquences, il à été démontré que nous avons l’impression d’entendre la fondamentale (la plus basse d'entre elle et normalement la plus puissante) même si elle n'est pas reproduite ou très atténuée. L'explication est que notre cerveau corrige ce que nous percevons réellement au point de reconstituer la partie manquante du son lorsque c'est possible, une raison de plus de préférer un bon HP capable de descendre proprement à 30 ou 40 Hz à un monstre hors de prix reproduisant les 16 Hz avec probablement de qualité moyenne pour les fréquences plus élevées.
 

Limites des aigus,


Si ne niveau est assez fort, la limite se situe entre 18 000 Hz et 20 000 Hz dans les meilleurs cas. En vieillissant cette limite à tendance à diminuer progressivement. La perception des sons aigus diminue aussi très vite en cas de détérioration même partielle et légère de l'oreille (voir L'oreille). Il est important de savoir que les sons aigus ont un rôle énorme dans la compréhension du langage tout comme dans la musique ou ils donnent la brillance du son des instruments de musique.
 

 

La sensation de hauteur


La sensation de variation de hauteur est la même chaque fois que la fréquence double, c'est pourquoi les musiciens utilisent la notion d'octave correspondant à l'intervalle entre deux sons dont le plus aigu a la fréquence double du son plus grave.

L'octave le plus grave va de 16 Hz à 32 Hz, seul les grandes orgues et les instruments électroniques sont capables de produire des sons aussi graves. L'octave suivant est plus encombré avec le basson, le tuba basse, la grosse caisse, le piano, la contrebasse et la harpe. A l'autre extrémité le picolo, le piano et le violon joue des notes un peu au dessus de 4000 Hz, seul certains orgues dépassent 8 000 Hz, par contre les harmoniques de nombreux instruments s'étalent un peu au delà de 16 000 Hz ! Entre ces deux limites une oreille très exercée (un musicien) est capable de distinguer 1400 hauteurs musicales différentes. (Différence de fréquence inférieure à 1%)

 

La sensation de puissance


Pour compliquer le tout nos oreilles n'ont pas la même sensibilité pour toutes les fréquences, les courbes de Fletcher-Munson indiquent pour toutes les fréquences les niveaux sonores réels qui produisent la même impression de puissance qu'à 1000 Hz.
 

Courbes de Fletcher-Munson


Vous constater que pour les niveau faibles les courbes se déforment de plus en plus et traduisent le fait que la sensibilité aux graves et aux aigus diminue plus vite que pour les fréquences moyennes.(voir Les décibels) Dans l'extrême grave nous avons plus de mal à distinguer les petites variations de puissance, par contre dans le médium il est possible à une oreille exercée de distinguer par comparaison directe plus de 250 niveaux d'intensité différents (c'est une résolution de l’ordre de 0.5 DB)
 

 

Le relief sonore


La localisation des sons est un phénomène très complexe, elle est en fait réalisée par l'organe le plus important de l'ouie humaine : le cerveau ! Et votre cerveau utilise simultanément trois stratégies pour analyser la scène sonore en 3D tout autour de vous.

Pour les fréquences graves c'est le décalage temporel entre les deux oreilles qui permet d’évaluer la direction de la source sonore. Cette méthode donne une grande précision entre 200 Hz et 2000 Hertz mais en dehors de cette zone la localisation des sons par cette méthode devient moins bonne. Dans une salle, la localisation des sons purs de fréquences inférieures à 100 Hertz devient même presque impossible.

Pour les fréquences plus élevées c'est la différence de puissance produite par l'obstacle de notre crâne qui permet la localisation La précision de cette seconde méthode est maximale dans la bande de 4000 à 15000 Hertz

Une troisième méthode utilise la parfaite connaissance qu’à notre cerveau des défauts de directivité de nos oreilles (on suppose que la forme des lobes à ici son importance). Cette méthode complète les deux premières et est apparemment la seule capable de distinguer les décalages verticaux.

Pour la distance tout devient très compliqué. Notre cerveau analyse l'ensemble de l'image sonore et sépare le son directement perçu depuis la source et ses multiples réfections, grâce à la comparaison du signal direct de la source sonore et des signaux réfléchis par les obstacles les plus proche, il reconstruit une image sonore virtuelle. La vision à une grande importance, elle permet au cerveau d’ajuster l'image sonore reconstituée pour la faire coïncider aux sources sonores situées dans sont champ visuel, cette correction influence aussi la localisation des sources qu'il ne peut pas voire.

 

Conclusion

 

La bande passante


Pour les appareils de reproduction sonore, il faut atteindre les deux limites de 20 Hz et 20 kHz sans aucune altération. Ceci explique que chaque fois que la technologie permet de dépasser ces limites, il est conseillé de le faire, mais avec modération et prudence, il faut éviter qu'une performance sur un point précis se fasse au détriment d'autres qualités d'un appareil.

Si vous faites un petit calcul vous comprendrez maintenant que le CD avec une fréquence d'échantillonnage de 44.1 kHz et sa limite haute théorique de 20 kHz est un peu juste, il faudrait utiliser au moins 48 kHz (limite haute à 22.5 kHz) pour dépasser réellement les limites de la perception humaine.
 

La dynamique


L’oreille a une dynamique théorique maximale de 120 BD, mais dans nos appartement il y a toujours un bruit de fond résiduel de 20 à 30 DB et personne ne souhaite détruire ses oreilles avec des niveaux sonore dépassant les 120 DB, on peut donc concevoir qu’une dynamique d’une centaines de DB devrait suffire pour la reproduction du son a condition qu’elle soit respecter tout au long de la chaîne sonore pour garantir le réalisme du spectacle sonore. Malheureusement c’est rarement le cas, le CD avec ses pauvres 16 Bits ne peut pas dépasser 96 DB de dynamique ! De toute façon la dynamique des enregistrement audio est toujours un peu réduite pour garantir la perception des sons les plus faible et en même temps ne pas trop énerver vos voisins pendant les passages un peu trop fort (Certains CD de variété ont une dynamique d’une dizaine de DB maximum, mais c’est un autre sujet)
 

En pratique


Les appareils analogiques purement électronique (préamplificateur, amplificateur de puissance, etc..) ont normalement tous une bande passante suffisante (quelque fois même inutilement étendue) et une dynamique convenable qui dépasse la centaine de DB

Pour les appareils électroacoustiques, seuls les micros de très haute qualité s'en tirent relativement bien. Les enceintes font ce qu'elles peuvent, mais les progrès de ces 20 dernières années ont portées les meilleures réalisations à un niveau assez proche de la perfection. Dans les prochaines années la baisse des prix et les performances des filtres et amplificateurs 100% numériques permettront de réduire notablement les derniers défauts (y compris ceux produit par le couplage avec le local d'écoute !).

Mais nos oreilles ne fonctionnent pas du tout comme un micro qui mesure le son, elles analysent le son et s’adaptent en permanence à l’ambiance, ce travail d’analyse est complété par notre cerveau qui ne fonctionne pas du tout comme un convertisseur numérique ou un ampli, il y a donc un grand nombre de critères qualitatifs (voir culturels) difficilement mesurables qui entrent en jeux lors de la perception sonore humaine.

 

D’où l’indispensable verdict de vos oreilles avant d’acheter un nouveau maillon de votre home cinéma.

 


 


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