Acoustique physiologique : des sons aux percepts associés

1. Acoustique physiologique :des sons aux percepts associés Séminaire de Biophysique du C.N.E.B.M.N. 7 Novembre 2011 Dimitri PAPATHANASSIOU Faculté de Médecine, Université de Reims Champagne-Ardennes Service de Médecine Nucléaire, Institut Jean Godinot, Reims CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

2. Q.C.M. 1 Le seuil d’audibilité à 1000 Hz est : 1 2.10-3 Pa 2 2.10-5 W.cm2 3 1012 W.cm-2 4 0 dB 5 - 1 dB CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

3. Q.C.M. 2 Unités utilisées en acoustique : 1 Le sone est une unité de tonie 2 Le phone est une unité de sonie 3 Le mel est une unité de sonie 4 Le décibel est une unité de sonie 5 1 phone équivaut à 1 dB SPL quelle que soit la fréquence CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

4. Q.C.M. 3 Plusieurs machines dont chacune développe une puissance de W W.cm-2 correspondant à un niveau sonore de 90 dB sont utilisées en même temps 1 1 machine de plus causera +1 dB 2 2 machines produiront 93 dB 3 2 machines produiront 100 dB 4 2 machines produiront 180 dB 5 10 machines produiront 100 dB CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

5. Q.C.M. 4 Sensations et caractéristiques physiques d’un son : 1 La sensation de hauteur n’est liée qu’à la fréquence 2 Le timbre est lié à l’amplitude des harmoniques 3 Le timbre est le plus souvent lié à la phase des harmoniques • On localise certains sons grâce à la différence de • phase des ondes perçues par les deux oreilles CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

6. Acoustique physiologique :des sons aux percepts associés CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

7. Introduction Phénomène physique Sensation ? Comprendre, caractériser et quantifier les anomalies CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

8. PLAN 1 Physique des ondes sonores 1 Physique des ondes sonores 2 Psychophysique 3 Sensations sonores CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

9. PLAN 1 Physique des ondes sonores 1.1 Nature d’un son 1.2 Grandeurs et propriétés 1.3 Catégories de sons CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

10. dépression compression 1.1 Nature d’un son Onde de pression longitudinale dans un milieu matériel élastique CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

11. 1.1 Nature d’un son distance temps CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

12. 1.2 Grandeurs et propriétés Longueur d’onde l pression Amplitude P0 distance l = c / f f pression Phase T Période temps T = 1 / f c = l / T Célérité (vitesse de propagation de l’onde) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

13. Pression acoustique : P0 = 2.10-5 à 20 Pa atmosphérique : Patm = 105 Pa 1.2 Grandeurs et propriétés Gamme des fréquences audibles : 20 Hz à 20 kHz harmoniques fondamental voix basse Infrasons Ultrasons soprano piano f (Hz) 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10 k 20 k CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

14. c (m/s) Milieu air 340 eau 1430 l (air) f (Hz) 20 17 m 1000 34 cm 20000 17 mm 1.2 Grandeurs et propriétés c : dépend de la densité (r ) et de la compressibilité du milieu f : ne dépend pas du milieu CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

15. P02 W = r C 1.2 Grandeurs et propriétés Onde de pression Propagation d’une énergie mécanique Puissance acoustique (surfacique) : Énergie par unité de temps et de surface en W.cm-2 CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

16. 1.2 Grandeurs et propriétés Interactions : Absorption Réflexion > l < l Diffraction CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

17. t x P(x,t) = P0 sin 2p ( - + f ) l T 1.3 Catégories de sons Onde sonore simple (son pur) P(t) = P0 sin 2p ( f t ) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

18. pression temps amplitude fréquence 1.3 Catégories de sons Onde périodique complexe : superposition de sinusoïdes pression temps CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

19. 1.3 Catégories de sons Onde périodique complexe : fondamental P(t) = P sin 2p (f t +f) + P2 sin 2p ( 2 f t +f2) + P3 sin 2p ( 3 f t +f3) harmoniques + … + Pn sin 2p ( n f t +fn) Série de Fourier CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

20. 1.3 Catégories de sons Son amorti : pseudo-périodique p t CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

21. 1.3 Catégories de sons Son transitoire : non périodique p amplitude t fréquence Infinité de fréquences avec des amplitudes différentes CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

22. 1.3 Catégories de sons Spectrogramme temps/fréquence (sonogramme) énergie f (Brillance : puissance) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

23. 1 Physique des ondes sonores J OUR MON EUR BON SI CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

24. 1 Physique des ondes sonores Une onde sonore peut se caractériser par : sa fréquence son énergie son spectre sa phase CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

25. PLAN 1 Physique des ondes sonores 2 Psychophysique 2 Psychophysique 3 Sensations sonores CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

26. 2 Psychophysique Signal physique Enjeux de la perception Sensation puissance force détecter quantifier fréquence hauteur discriminer spectre timbre communiquer phase direction s’orienter CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

27. Audiométrie tonale liminaire détecter puissance fréquence 2 Psychophysique Signal physique Enjeux de la perception Sensation détecter force puissance quantifier fréquence hauteur discriminer spectre timbre communiquer phase direction s’orienter CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

28. 2 Psychophysique Psychophysique (mi-XIXème : Fechner) Étude du lien entre stimulus (physique) et sensation (psychique) « Percept » : ce qui est perçu Psychoacoustique CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

29. 2 Psychophysique Seuils absolu (Is) : plus petit signal physique donnant une sensation différentiel (DIs) : plus petite variation de signal physique donnant une sensation de variation I + DIs autre sensation que I différentiel relatif (DIs/I) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

30. DIs I 2 Psychophysique Stimulus Sensation Variation de sensation Variation de sensation = k DIs/I Loi de Weber (1846) : DIs/I = constante CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

31. + S dS S finale = S initiale n DIn/In . + . finale . n  k DI/I + S finale = S initiale + DI2/I2 initiale 2 Psychophysique Loi de Fechner (1850) dS DI1/I1 S = k ln (I) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

32. 2 Psychophysique Loi de Fechner la sensation varie comme le logarithme du stimulus Sensation Intensité CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

33. P0 = 2.10-5 à 20 Pa facteur 106 W = 10-12 à 1 W.cm-2 facteur 1012 2 Psychophysique Sensation Intensité grandeur physique : mal adaptée à la description des sensations car pas de linéarité CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

34. I1 DS = k Log I2 2 Psychophysique variations de niveaux S = k Log I S1 – S2 = k Log I1 – k Log I2 CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

35. PLAN 1 Physique des ondes sonores 2 Psychophysique 3 Sensations sonores 3 Sensations sonores CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

36. PLAN 3 Sensations sonores 3.1 Sonie 3.1 Sonie 3.2 Hauteur 3.3 Timbre 3.4 Localisation CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

37. 3.1 Sonie Sonie : intensité subjective d’un son (sensation de force sonore) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

38. W1 = 10 Log déciBel W2 p1 = 20 Log déciBel p2 3.1 Sonie W1 Différence de niveau acoustique = Log Bel W2 (N.B. : relatif) CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

39. 3.1 Sonie Seuil absolu Pour une moyenne de sujets sains à 1000 Hz : 10-12 W.cm-2 CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

40. 3.1 Sonie W D = 10 log10 (dB SPL) 10-12 (Sound Pressure Level) Niveau de pression acoustique CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

41. W 10 Log (2) + 10 Log = W0 3.1 Sonie 2 sources de puissance W : 2 W 10 Log W0 3 niveau d’1 source + 3 dB CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

42. 3.1 Sonie Nombre de sources Niveau 2 + 3 dB 3 + 5 dB 4 + 6 dB 5 + 7 dB 6 + 8 dB 10 + 10 dB CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

43. 3.1 Sonie niveau acoustique (dB SPL) 140 120 100 80 60 40 20 0 f (Hz) 20 50 100 200 500 1000 5000 20000 CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

44. 3.1 Sonie Audiogramme f (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000 0 0 dB fixé au seuil d’audibilité pour chaque fréquence 20 40 60 (dB HL) 80 100 120 (Hearing Level) Perte auditive (dB HL) Niveau d’audition CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

45. 3.1 Sonie niveau acoustique (dB SPL) 140 120 100 80 60 40 20 0 f (Hz) 20 100 200 500 1000 5000 20000 50 CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

46. 3.1 Sonie Courbes d’isosonie : ensemble des sons produisant la même sensation de force sonore niveau en dB SPL donnant la même sensation à 1000 Hz Valeur en phones : CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

47. 3.1 Sonie niveau acoustique (dB SPL) 140 120 phones 120 100 phones 100 80 phones 80 60 phones 60 40 phones 40 20 phones 20 0 50 f (Hz) 20 100 200 500 1000 5000 20000 CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

48. Valeurs négatives 3.1 Sonie déplacement du tympan (cm) p (Pa) S (dB) W (W.cm-2) Seuil de douleur 10-4 20 1 120 100 2 10-2 Orchestre 80 2.10-1 10-4 Validité de la loi de Weber 2.10-2 10-6 60 Conversation 2.10-3 10-8 40 2.10-4 10-10 20 Seuil absolu 0 10-10 2.10-5 10-12 50 f (Hz) 20 100 500 1k 5k 10k 20k CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

49. 3.1 Sonie Niveau sonore (dB) 140 Avion au décollage Seuil de douleur 120 Discothèque 100 Tronçonneuse Train 80 Moteur de voiture 60 Conversation à voix haute 40 Conversation à voix basse Chant d’oiseau 20 Tic-tac de montre 0 Seuil d’audibilité CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique

50. 3.1 Sonie Risque auditif Fatigue auditive : perte temporaire de sensibilité Lésions des cellules sensorielles : irréversibles Limite : 8 heures / jour à 80 dB A 5 jours / semaine 4 heures / jour à 83 dB A 2 heures / jour à 91 dB A 3 minutes / jour à 101 dB A CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique