Cours : Émetteurs et récepteurs sonores

Émetteurs et récepteurs

Voix et oreille humaine

Pour l’être humain, émettre et réceptionner un son sont deux processus naturels, ils ne demandent pas de concentration. Mais mécaniquement et physiologiquement, ces processus sont complexes et mettent en jeu de nombreux organes.

À retenir

Le principe de l’organe vocal est de traduire un signal bioélectrique en onde mécanique. L’oreille fonctionne selon le principe inverse.

Les parties du corps qui interviennent dans la voix sont :

• les poumons (via un muscle, le diaphragme),
• les cordes vocales,
• et les résonateurs (c’est-à-dire les voies aériennes supérieures qui sont le nez, la gorge et la bouche).

Lorsqu’on choisit de produire un son, le cerveau envoie au diaphragme un signal. Les variations de contraction de ce muscle conditionnent la pression dans les poumons (autrement dit la quantité d’air qui s’y trouve).

• Ce changement de pression implique donc une inspiration (la pression dans les poumons diminue) ou un souffle (la pression augmente).

Le souffle produit fait vibrer les cordes vocales. L’onde sonore perçue est la vibration, lorsqu’elle a été relayée par les cavités aériennes supérieures jusqu’à la bouche.

L’oreille est l’organe qui permet de recevoir puis de transmettre par signal électrique les vibrations mécaniques d’un fluide (le plus souvent l’air). Cette vibration de l’air, c’est le son.

Les principales étapes de perception d’un son par l’oreille sont :

• la vibration de l’air,
• qui entraîne la vibration de la membrane du tympan ;
• puis à sa suite la vibration des osselets de l’oreille moyenne (autrement dit le marteau, l’enclume et l’étrier). Ils permettent la transmission des sons mais aussi leur amplification ;
• suite à cela, c’est au tour des cellules ciliées, qui tapissent la cochlée, de vibrer : certaines ont pour rôle d’amplifier les petites vibrations tandis que d’autres sont reliées à des neurones et permettent la transduction du signal.

Définition

Transduction de signal :

La transduction de signal est le mécanisme (chimique, physique ou bioélectrique) permettant à une cellule de réagir à l’information qu’elle reçoit. Cette réaction cellulaire déclenche des signaux secondaires dans l’organisme.

Dans l’oreille interne, la transduction du signal est assurée par l’organe de Corti présent à l’intérieur de la cochlée et dont les cellules ciliées font partie.

À retenir

Chez l’Homme, une oreille en bonne santé peut percevoir des sons compris entre 20 Hz et 20 kHz.

Le niveau sonore perçu par l’oreille est défini par la loi de Fechner, on appelle ce domaine d’étude l’acoustique physiologique.

Propriété

Principe physique de l’acoustique physiologique :

Le niveau sonore est fonction du logarithme décimal, fois dix, et du rapport entre l’intensité acoustique reçue et le seuil d’audibilité.

$$L=10 \cdot \log\left( \dfrac {I}{I_0}\right)$$

$L$ est le niveau sonore exprimé en décibels (dB)

$I$ est l’intensité acoustique reçue en watt par mètre carré $(\text{W} \cdot \text{m}^{-2})$

$I_0$ est le seuil d’audibilité. Pour l’Homme, il est constant :

$$\boxed{ I_0=10^{-12}\ \text{W} \cdot \text{m}^{-2}}$$

Attention

Dans la formule ci-dessus, il s’agit d’un logarithme décimal ($\log$) et non d’un logarithme népérien ($\ln$).

Courbe de la fonction logarithme décimal

Avec l’unité de l’intensité, le watt par mètre carré $(\text{W} \cdot \text{m}^{-2})$ on remarque que l’intensité est une puissance (en l’occurrence celle de l’onde sonore) divisée par une surface vibrante. Dans le cas de l’oreille, cette surface est le tympan.

Ainsi, le niveau sonore de $I_0$ est : $L=10 \cdot \log\left( \dfrac {I}{I_0}\right)=10\log1=10\times 0=0\ \text{dB}$

À retenir

Un son inaudible pour l’Homme a donc des valeurs négatives sur l’échelle des décibels.

Microphone et reconnaissance vocale

Les outils de réception des ondes sonores développés par l’être humain sont comparables à notre oreille.

Dans le cas d’un microphone électrodynamique, les vibrations sonores causent la vibration d’une membrane et de la bobine qui en est solidaire.

Par induction électromagnétique, la bobine placée dans un champ magnétique (grâce à un aimant) entraîne l’apparition d’une tension dont l’amplitude et la fréquence sont spécifiques à chaque son reçu.

• Ainsi, on peut traiter un son sous forme d’énergie électrique, ce qui permet de l’enregistrer ou de le restituer. On peut d’ailleurs choisir de le restituer à l’identique ou en le modifiant.

Chaque phonème s’inscrivant dans un spectre d’amplitude et de fréquence réduit, il est possible de développer un système de reconnaissance vocale, puisque chaque son aura ses propres caractéristiques électriques.

Haut-parleur et restitution des sons

Un haut-parleur ou un casque fonctionne à l’inverse d’un microphone : la tension périodique aux bornes de la bobine provoque une vibration de la membrane qui lui est solidaire. En vibrant, la membrane produit un son, de même fréquence que celle de la tension, et dont l’amplitude varie de façon similaire.

Pour restituer fidèlement un son, il faut tenir compte de plusieurs facteurs :

• tout d’abord, le son est émis par la membrane en avant mais aussi en arrière. Si la réflexion de ses ondes les fait se superposer, des interférences destructives apparaissent. Pour les éviter, on peut tout simplement supprimer le fond de l’enceinte, ou encore « déphaser les ondes arrière » ;
• les vibrations du coffre du haut-parleur peuvent contrarier la qualité sonore, pour les limiter il faut jouer sur les matériaux utilisés ;
• pour un bon son, il faut également jouer sur la directivité de l’émetteur, c’est-à-dire sa capacité à exercer sa fonction dans plusieurs directions ;
• enfin, la bande-passante indique la gamme de fréquences que le système peut traiter, le haut parleur a donc des limites à ce qu’il peut faire.

Attention

La qualité du son ne dépend pas uniquement de l’émetteur et du récepteur. L’environnement immédiat joue également un rôle important dans la transmission du son.

Transmission du son

Critères de qualité acoustique

Dans un espace clos, comme une salle de concert ou une pièce, plusieurs phénomènes physiques interviennent dans la propagation d’un son.

Définition

Diffusion :

La diffusion est la modification de la direction de propagation du son sans qu’aucune direction soit privilégiée.

Définition

Réflexion :

La réflexion est similaire à la diffusion, mais avec une direction privilégiée. Elle est souvent provoquée par des éléments symétriques.

Définition

Réfraction :

La réfraction est un changement de direction de propagation de l’onde dû à un changement de milieu.

Définition

Diffraction :

La diffraction est conditionnée par la taille de l’objet rencontré. Si sa largeur $a$ est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde $\lambda$, alors celle-ci est diffractée selon un angle thêta $\theta$ égal à la longueur d’onde divisée par la largeur de l’objet : $$\theta=\frac{\lambda}{a}$$

Définition

Absorption :

L’absorption est la diminution de l’intensité sonore lors de la propagation d’une onde sonore dans un milieu.

La diffusion et l’absorption du son par les matériaux de l’environnement immédiat sont responsables de la décroissance de l’intensité sonore.

Les autres phénomènes vont quant à eux déformer la perception des sons. L’effet de réverbération qui en découle peut nuire à la compréhension des paroles d’un discours par exemple, ou au contraire être recherché dans une salle de concert.

En fonction de l’usage que l’on a d’un lieu, certains phénomènes seront encouragés et d’autres évités. Le choix des matériaux de construction et les formes envisagées pour une salle seront conditionnés par ces éléments.

Pour mesurer l’effet de réverbération, on utilise le temps de réverbération que l’on note $\text{RT}_{60}$ et dont l’unité est la seconde. Ce qui correspond au temps nécessaire pour que le niveau sonore baisse de $60\ \text{dB}$ après l’arrêt de la vibration de la source sonore.

La réverbération est calculée à l’aide de la relation de Sabine.

Propriété

Principe physique de réverbération et relation de Sabine :

Le temps de réverbération est proportionnel au volume de la salle (multiplié par une constante) et divisé par la surface d’absorption de la salle.

$\text{RT}_{60}=\dfrac{V \times k}{A}$

$\text{RT}_{60}$ est le temps de réverbération en secondes $(\text s)$

$V$ est le volume de la salle en mètre cube $(\text m^3)$

$k$ est une constante en seconde par mètre $(\text s \cdot \text m^{-1})$

$A$ est la surface d’absorption en mètre carré $(\text m^2)$

À retenir

​$A$ est proportionnel à la surface, mais aussi au coefficient d’absorption α qui est propre à chaque matériau. Ainsi, si une salle est composée de deux matériaux $1$ et $2$, alors :

$A = S_1 \times \alpha _1 + S_2 \times \alpha _2$

Propriété

Loi physique : surface d’absorption du son

$A$ est égal à la somme de toutes les surfaces multipliées par leur coefficient d’absorption :

$A =\sum\ S_i \times \alpha_i$

Matériaux actifs

Le choix des matériaux utilisés et des formes lors de la construction est donc essentiel pour favoriser ou non certaines caractéristiques acoustiques.

On peut placer des panneaux absorbants sur les murs d’une salle sourde pour empêcher la réverbération et privilégier les parois lisses. Au contraire, une paroi en vague dans un auditorium assurera une réflexion optimale au public.

L’isolation phonique est également dépendante de l’épaisseur des parois.

On peut aussi se servir des procédés d’acoustique active pour diminuer les perturbations sonores ou les induire : ce phénomène consiste à produire électroniquement un effet sonore (contrairement à l’acoustique passive, qui se fonde sur les caractéristiques intrinsèques des formes et des matériaux).

• On peut ainsi émettre l’onde destructive d’un son que l’on souhaite masquer localement.

Ce système est notamment utilisé sur les casques anti-bruit, ou pour atténuer le bruit d’un moteur (ventilateur, aspirateur). Il est possible, au contraire, d’augmenter l’effet de réverbération pour moduler l’ambiance d’une salle sans en changer la conformation (c’est une stratégie efficace mais coûteuse).