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Voix : acoustique physiologique

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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.

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.

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.

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.

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 :

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 :

.
Mais, avec un logarithme décimal,

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

. Le niveau sonore L est une grandeur logarithmique définie comme :

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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