Voix : acoustique physiologique
Objectifs
Expliquer comment la voix est produite.
Décrire succinctement l’oreille humaine et ses propriétés.
Voir comment un son est perçu par l’oreille: l'acoustique physiologique.
Énoncer la loi de Fechner.
Définir alors le décibel et en donner quelques applications.
Décrire succinctement l’oreille humaine et ses propriétés.
Voir comment un son est perçu par l’oreille: l'acoustique physiologique.
Énoncer la loi de Fechner.
Définir alors le décibel et en donner quelques applications.
1. Comment la voix génère-t-elle des sons?
En émettant des sons organisés en un
message vocal qui sera capté et
interprété par un interlocuteur, l'Homme est
capable de communiquer. La phonation est
l’action de produire des sons dans le but de
parler.
L'air expiré par les poumons va faire vibrer des membranes déformables au niveau du larynx appelées cordes vocales. Lorsque la personne respire normalement, les cordes vocales sont écartées. Lorsqu’elle veut parler, les cordes vocales se resserrent et sont mises en vibration par l’air expiré. Selon leur resserrement, la vibration sera différente, ce qui autorise une modulation des fréquences des sons émis.
Les caractéristiques des cordes vocales varient d’un individu à l’autre, ce qui fait que certaines personnes ont une voix plus graves que d’autres.
L'air expiré par les poumons va faire vibrer des membranes déformables au niveau du larynx appelées cordes vocales. Lorsque la personne respire normalement, les cordes vocales sont écartées. Lorsqu’elle veut parler, les cordes vocales se resserrent et sont mises en vibration par l’air expiré. Selon leur resserrement, la vibration sera différente, ce qui autorise une modulation des fréquences des sons émis.
Doc. 1 : Schéma des cordes
vocales
Les caractéristiques des cordes vocales varient d’un individu à l’autre, ce qui fait que certaines personnes ont une voix plus graves que d’autres.
2. Comment l'oreille humaine réceptionne-t-elle
les sons?
L’oreille est l’organe permettant
l’audition. Le son entre via conduit
auditif.
L’onde sonore associée au son met en vibration le tympan, une membrane souple se trouvant au fond du conduit. Le tympan est relié à trois petits os (osselets), nommés marteau, enclume et étrier. En vibrant, le tympan met en mouvement ces osselets.
Grâce à eux, la vibration est transmise à l’oreille interne. Cette dernière est constituée de :
► L'endolymphe, liquide contenu dans l'oreille interne.
► La cochlée (forme d’un escargot) contenant des cellules ciliées sensibles aux vibrations. Elles détectent les fréquences composant le son. Plus ces cellules sont proches des osselets, plus elles sont sensibles aux aigus.Les cellules ciliées génèrent alors des influx nerveux qui sont transmis au cerveau. L’analyse fréquentielle ( = décomposition du son en ses différentes fréquences) est donc réalisée par l’oreille elle-même. Le cerveau reconstitue finalement l’information reçu, afin de percevoir le son.
► Le vestibule, dont les canaux semi-circulaires, n’intervient pas dans le mécanisme de l’audition, mais sert pour le maintien de l’équilibre.
Une oreille en bonne santé peut entendre des sons entre 20 Hz et 20 kHz, mais cela varie d’un individu à l’autre. Notamment, la valeur supérieure a tendance à diminuer progressivement avec l’âge.
Les sons basses fréquences sont des sons graves. Les sons hautes fréquences sont les sons aigus. Les sons de fréquences inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons. Les sons au dessus de 20 kHz sont des ultrasons.
L’onde sonore associée au son met en vibration le tympan, une membrane souple se trouvant au fond du conduit. Le tympan est relié à trois petits os (osselets), nommés marteau, enclume et étrier. En vibrant, le tympan met en mouvement ces osselets.
Grâce à eux, la vibration est transmise à l’oreille interne. Cette dernière est constituée de :
► L'endolymphe, liquide contenu dans l'oreille interne.
► La cochlée (forme d’un escargot) contenant des cellules ciliées sensibles aux vibrations. Elles détectent les fréquences composant le son. Plus ces cellules sont proches des osselets, plus elles sont sensibles aux aigus.Les cellules ciliées génèrent alors des influx nerveux qui sont transmis au cerveau. L’analyse fréquentielle ( = décomposition du son en ses différentes fréquences) est donc réalisée par l’oreille elle-même. Le cerveau reconstitue finalement l’information reçu, afin de percevoir le son.
► Le vestibule, dont les canaux semi-circulaires, n’intervient pas dans le mécanisme de l’audition, mais sert pour le maintien de l’équilibre.
Doc. 2 : L'oreille humaine
Une oreille en bonne santé peut entendre des sons entre 20 Hz et 20 kHz, mais cela varie d’un individu à l’autre. Notamment, la valeur supérieure a tendance à diminuer progressivement avec l’âge.
Les sons basses fréquences sont des sons graves. Les sons hautes fréquences sont les sons aigus. Les sons de fréquences inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons. Les sons au dessus de 20 kHz sont des ultrasons.
3. Acoustique physiologique : loi de Fechner,
définition du niveau sonore
► La loi de Fechner explique que « la
sensation varie comme le logarithme de
l’excitation ».
Cela veut dire que si on augmente de manière linéaire un stimulus, alors la perception que nous en avons est logarithmique. Cette loi est vérifiée pour la perception de l’intensité lumineuse ou de l’intensité sonore.
« La sensation sonore est proportionnelle au logarithme de l’intensité acoustique. »
► Cette propriété physiologique fait que l’oreille humaine est capable de percevoir des intensités acoustiques de magnitudes très différentes. Comme pour le pH en chimie, une échelle logarithmique se révèle pertinente :
• Le niveau sonore L s’exprime en décibel (dB).
• L’intensité acoustique I, exprimée en W.m-2 est l'énergie véhiculée par l’onde acoustique par unité de temps et par unité de surface. Concrètement, si l’onde frappe une paroi (le tympan par exemple), c’est la puissance qu’elle lui communique sur l'ensemble de sa surface.
• L'intensité acoustique de référence I0, et valant
est nommée "seuil de perception
auditive". Elle correspond au son le plus faible
pouvant théoriquement être entendu par une
oreille humaine, à une fréquence de 1000
Hz.
Dans la suite, pour éviter cette complication, on se placera conventionnellement à la fréquence où la perception est optimale, autour de 1 kHz.
Cela veut dire que si on augmente de manière linéaire un stimulus, alors la perception que nous en avons est logarithmique. Cette loi est vérifiée pour la perception de l’intensité lumineuse ou de l’intensité sonore.
« La sensation sonore est proportionnelle au logarithme de l’intensité acoustique. »
► Cette propriété physiologique fait que l’oreille humaine est capable de percevoir des intensités acoustiques de magnitudes très différentes. Comme pour le pH en chimie, une échelle logarithmique se révèle pertinente :
• Le niveau sonore L s’exprime en décibel (dB).
• L’intensité acoustique I, exprimée en W.m-2 est l'énergie véhiculée par l’onde acoustique par unité de temps et par unité de surface. Concrètement, si l’onde frappe une paroi (le tympan par exemple), c’est la puissance qu’elle lui communique sur l'ensemble de sa surface.
• L'intensité acoustique de référence I0, et valant
est nommée "seuil de perception
auditive". Elle correspond au son le plus faible
pouvant théoriquement être entendu par une
oreille humaine, à une fréquence de 1000
Hz.
Remarque : Un son aigu et un son grave ne sont
pas perçus de la même manière
à intensité sonore identique. Bien
sûr, un ultrason, même très puissant,
ne sera pas perçu par une oreille humaine. Cela
constitue le décibel pondéré,
noté dB(A). Cette unité a pour vocation
de correspondre le plus possible aux capacités de
l’oreille humaine.
Doc. 3 : Courbe audiométrique de
l'oreille humaine
Dans la suite, pour éviter cette complication, on se placera conventionnellement à la fréquence où la perception est optimale, autour de 1 kHz.
4. Le décibel
Une échelle acoustique est construite à
partir du décibel acoustique, pouvant donner un
ordre de grandeur des niveaux sonores des sons de la vie de
tous les jours :
Un niveau sonore se mesure avec un sonomètre (ou décibelmètre). Un niveau de 0 dB correspond au seuil d’audibilité, à
. A 130 dB, 
.
Un niveau sonore est nocif à long terme
à partir de 85 dB. Le risque de lésion
auditive irréversible est à partir de 100
dB. Le seuil de la douleur se situe à 120 dB.
Rappels mathématiques :
Le logarithme employé est un logarithme décimal log, différent du logarithme népérien (ln).. D’ailleurs,
.
Certaines propriétés sont néanmoins communes entre les deux types de logarithme :
si 
.
Mais, avec un logarithme décimal,
et
pour tout nombre
réel 
.
Cela permettre d’écrire que
.
Propriétés du décibel :
• Une source émet à une intensité acoustique
,
correspondant à un niveau sonore 
.
Si l’intensité est doublée
, le nouveau niveau sonore 
est augmenté de 3 dB :
.
L’échelle logarithmique « transforme les multiplications en addition ».
• Si deux sources émettent en même temps, leurs intensités acoustiques s’ajoutent, mais pas leurs niveaux sonores. Si l’écart entre les deux est assez fort (supérieur ou égal à 10 dB), seul comptera la source qui a le niveau sonore le plus fort.
Exemple :
source 1 :
, 
source 2 :
, 
total :
, 
Doc. 3 : Échelle des niveaux
sonores
Un niveau sonore se mesure avec un sonomètre (ou décibelmètre). Un niveau de 0 dB correspond au seuil d’audibilité, à
. A 130 dB, .
Un niveau sonore est nocif à long terme
à partir de 85 dB. Le risque de lésion
auditive irréversible est à partir de 100
dB. Le seuil de la douleur se situe à 120 dB.Rappels mathématiques :
Le logarithme employé est un logarithme décimal log, différent du logarithme népérien (ln).. D’ailleurs,
.Certaines propriétés sont néanmoins communes entre les deux types de logarithme :
si .Mais, avec un logarithme décimal,
et
pour tout nombre
réel .Cela permettre d’écrire que
.Propriétés du décibel :
• Une source émet à une intensité acoustique
,
correspondant à un niveau sonore .
Si l’intensité est doublée
, le nouveau niveau sonore
est augmenté de 3 dB : .L’échelle logarithmique « transforme les multiplications en addition ».
• Si deux sources émettent en même temps, leurs intensités acoustiques s’ajoutent, mais pas leurs niveaux sonores. Si l’écart entre les deux est assez fort (supérieur ou égal à 10 dB), seul comptera la source qui a le niveau sonore le plus fort.
Exemple :
source 1 :
, source 2 :
, total :
,
L'essentiel
► L’humain est capable de communiquer par la
parole. La voix humaine est générée par
les cordes vocales. Les sons émis sont
captés par l’oreille. Celle-ci suit la
loi de Fechner, « La sensation sonore est
proportionnelle au logarithme de l’intensité
acoustique. »
► L’oreille humaine est capable de percevoir des sons d’intensités acoustiques très différentes, selon plusieurs ordres de grandeur allant de
à
. Le
niveau sonore L est une grandeur
logarithmique définie comme :
ou 
► Un niveau sonore s’exprime en décibel, noté dB. Lorsqu’on double l’intensité acoustique d’une source, son niveau sonore est augmenté de 3 dB.
► L’oreille humaine est capable de percevoir des sons d’intensités acoustiques très différentes, selon plusieurs ordres de grandeur allant de
à
. Le
niveau sonore L est une grandeur
logarithmique définie comme : ou
où l’intensité acoustique I est en
W.m-2, I0 = 10-12
W.m-2 étant le seuil
d’audibilité théorique de
l’oreille humaine.
► Un niveau sonore s’exprime en décibel, noté dB. Lorsqu’on double l’intensité acoustique d’une source, son niveau sonore est augmenté de 3 dB.
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