CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique
Acoustique physiologique :
des sons aux percepts associés
Séminaire de Biophysique du C.N.E.B.M.N.
7 Novembre 2011
Dimitri PAPATHANASSIOU
Service de Médecine Nucléaire, Institut Jean Godinot, Reims
Faculté de Médecine, Université de Reims Champagne-Ardennes
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Q.C.M. 1
Le seuil d’audibilité à 1000 Hz est :
1 2.10-3 Pa
2 2.10-5 W.cm2
4 0 dB
5 - 1 dB
3 1012 W.cm-2
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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
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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
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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
4 On localise certains sons grâce à la différence dephase des ondes perçues par les deux oreilles
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Acoustique physiologique :
des sons aux percepts associés
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Introduction
Phénomène physique
Sensation
?
Comprendre, caractériser et quantifier les anomalies
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PLAN
1 Physique des ondes sonores
2 Psychophysique
3 Sensations sonores
1 Physique des ondes sonores
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1 Physique des ondes sonores
1.1 Nature d’un son
1.2 Grandeurs et propriétés
1.3 Catégories de sons
PLAN
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Onde de pression longitudinale dans un milieu matériel élastique
1.1 Nature d’un son
compressiondépression
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distance
temps
1.1 Nature d’un son
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temps
distance
pression
pression
Longueur d’onde
= c / f
T = 1 / f
PériodeT
Célérité (vitesse de propagation de l’onde) c = / T
Phase
AmplitudeP0
1.2 Grandeurs et propriétés
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1.2 Grandeurs et propriétés
Patm = 105 Pa
P0 = 2.10-5 à 20 Pa
atmosphérique :
Pression acoustique :
20 f (Hz)50 100 200 500 1000 2000 5000 10 k 20 k
Infrasons Ultrasons
piano
basse
soprano
voix
Gamme des fréquences audibles : 20 Hz à 20 kHz
fondamental harmoniques
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Milieu c (m/s)
air
eau
340
1430
f (Hz) (air)
20
1000
17 m
34 cm
20000 17 mm
c : dépend de la densité ( ) et de la compressibilité du milieu
f : ne dépend pas du milieu
1.2 Grandeurs et propriétés
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Énergie par unité de temps et de surface
Puissance acoustique (surfacique) :
en W.cm-2W =P0
2
C
1.2 Grandeurs et propriétés
Propagation d’une énergie mécanique
Onde de pression
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Absorption
Diffraction
Réflexion
1.2 Grandeurs et propriétés
Interactions :
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Onde sonore simple (son pur)
P(x,t) = P0 sin 2 ( - + ) xtT
P(t) = P0 sin 2 ( f t )
1.3 Catégories de sons
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Onde périodique complexe :
pression
temps
superposition de sinusoïdes
pression
temps
amplitude
fréquence
1.3 Catégories de sons
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Onde périodique complexe :
P(t) = P sin 2 (f t +)
+ P2 sin 2 ( 2 f t +2)
+ P3 sin 2 ( 3 f t +3)
+ Pn sin 2 ( n f t +n)
+ …
fondamental
harmoniques
Série de Fourier
1.3 Catégories de sons
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t
pseudo-périodique
p
1.3 Catégories de sons
Son amorti :
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p
fréquence
Son transitoire : non périodique
amplitude
t
Infinité de fréquences avec des amplitudes différentes
1.3 Catégories de sons
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Spectrogramme temps/fréquence (sonogramme)
(Brillance : puissance)
f
énergie
1.3 Catégories de sons
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BON J OUR MON SI EUR
1 Physique des ondes sonores
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Une onde sonore peut se caractériser par :
sa fréquence
son énergie
son spectre
sa phase
1 Physique des ondes sonores
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PLAN
1 Physique des ondes sonores
2 Psychophysique
3 Sensations sonores
2 Psychophysique
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fréquence
puissance
spectre
hauteur
force
timbre
Sensation Signal physique
directionphase
2 Psychophysique
Enjeux de la perception
s’orienter
communiquer
discriminer
quantifier
détecter
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hauteur
force
timbre
Sensation
direction
2 Psychophysique
fréquence
puissance
spectre
Signal physique
phase
Enjeux de la perception
s’orienter
communiquer
discriminer
quantifier
détecter
Audiométrie tonale liminaire
fréquence
puissance détecter
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Étude du lien entre stimulus (physique)
Psychoacoustique
2 Psychophysique
(mi-XIXème : Fechner)
et sensation (psychique)
Psychophysique
« Percept » : ce qui est perçu
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Seuils
absolu (Is) :
différentiel (Is) :
différentiel relatif (Is/I)
I + Is autre sensation que I
2 Psychophysique
plus petit signal physique donnant une sensation
plus petite variation de signal physique donnant une sensation de variation
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Variation de sensation = k Is/I
Stimulus
Sensation
Variation de sensation
Loi de Weber (1846) : Is/I = constante
2 PsychophysiqueIs
I
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I1/I1
In/In
I2/I2
.
..n
dS
S finale = S initiale + dSn
S = k ln (I)
S finale = S initiale + initiale
finale
k I/I
Loi de Fechner
2 Psychophysique
(1850)
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Intensité
Sensation
Loi de Fechner
la sensation varie comme le logarithme du stimulus
2 Psychophysique
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Intensité
SensationP0 = 2.10-5 à 20 Pa
W = 10-12 à 1 W.cm-2
facteur 1012
facteur 106
grandeur physique : mal adaptée à la description des sensations car pas de linéarité
2 Psychophysique
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S = k Log I
S1 – S2 = k Log I1 – k Log I2
S = k Log I1
I2
2 Psychophysique
variations de niveaux
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PLAN
1 Physique des ondes sonores
2 Psychophysique
3 Sensations sonores3 Sensations sonores
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3 Sensations sonores
3.1 Sonie
3.2 Hauteur
3.3 Timbre
3.4 Localisation
PLAN
3.1 Sonie
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Sonie :
3.1 Sonie
intensité subjective d’un son
(sensation de force sonore)
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= LogW1 BelW2
Différence de niveau acoustique
= 10 LogW1 déciBelW2
= 20 Logp1 déciBelp2
3.1 Sonie
(N.B. : relatif)
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Pour une moyenne de sujets sains à 1000 Hz :
10-12 W.cm-2
3.1 Sonie
Seuil absolu
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D = 10 log10
W(dB SPL)
10-12
(Sound Pressure Level)
Niveau de pression acoustique
3.1 Sonie
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3.1 Sonie
10 LogW
W0
2 sources de puissance W :
210 Log
W
W0
= 10 Log (2) +
3
niveau d’1 source + 3 dB
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3.1 Sonie
+ 3 dB2
3 + 5 dB
+ 7 dB5
6 + 8 dB
10 + 10 dB
Nombre de sources Niveau
4 + 6 dB
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20 50 100 500 1000 5000 20000 f (Hz)200
0
20
40
60
80
100
120
140
niveau acoustique (dB SPL)
3.1 Sonie
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125 500250 1000 2000 4000 8000
120
100
80
60
40
20
0
f (Hz)
Perte auditive(dB HL)
(dB HL)
(Hearing Level)
0 dB fixé au seuil d’audibilité pour
chaque fréquence
Niveau d’audition
3.1 Sonie
Audiogramme
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20 50 100 500 1000 5000 20000 f (Hz)200
0
20
40
60
80
100
120
140
niveau acoustique (dB SPL)
3.1 Sonie
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Courbes d’isosonie :
Valeur en phones :
ensemble des sons produisant la même sensation de force sonore
niveau en dB SPLdonnant la même sensationà 1000 Hz
3.1 Sonie
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20 50 100 500 1000 5000 20000 f (Hz)200
0
20
40
60
80
100
120
140
niveau acoustique (dB SPL)
20 phones
40 phones
60 phones
80 phones
100 phones
120 phones
3.1 Sonie
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20 50 100 500 1k 5k 10k 20k f (Hz)
0
20
40
60
80
100
120
S(dB)
10-12
W(W.cm-2)
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
1
2.10-5
2.10-4
2.10-3
2.10-2
2.10-1
2
20
p(Pa)
10-10
10-4
déplacement dutympan (cm)
Seuil de douleur
Seuil absolu
3.1 Sonie
Valeurs négatives
Validité de la loi de Weber
Conversation
Orchestre
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3.1 Sonie
Avion au décollage
Seuil de douleur
DiscothèqueTronçonneuse
TrainMoteur de voiture
Conversation à voix haute
Conversation à voix basseChant d’oiseau
Tic-tac de montreSeuil d’audibilité0
80
20
100
40
120
60
140
Niveau sonore (dB)
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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
3.1 Sonie
Risque auditif
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Relation entre sonie et stimulus :
loi (expérimentale) de Stevens (1950)
La sonie double quand la pression
acoustique augmente de 10 dB
3.1 Sonie
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Phone : unité pour comparer la sonie à différentes fréquences
Sone : unité pour comparer la sonieà fréquence fixée
3.1 Sonie
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Is/I = 1 dB
Seuil différentiel relatif
3.1 Sonie
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Un stimulus (> 40 dB) présenté aux deux oreilles donne une sonie double
que lorsqu’il est présenté à une seule oreille
Sonie et audition binaurale
(Intégration par le système nerveux)
3.1 Sonie
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Durée courte (< 500 ms) :la sonie est d’autant plus faible que le stimulus est court
Sonie et durée du stimulus
Durée prolongée (dizaines de secondes) :la sonie diminue progressivement (adaptation)
3.1 Sonie
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CCE
CCI
Neurones cochléo-bulbaires
Potentiels d’action / sec
Niveau (dB SPL)
20 40 60 80 100
100
200
Seuil
Saturation
Plusieurs neurones de dynamique différente permettent de coder pour toute la dynamique
3.1 Sonie
Codage de la sonie
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Base
Apex
Membrane basilaire
Seuil SB
Seuil SHSaturation SB
Neurone SBNeurone SH
Étalement de la zone de réponse des neurones avec l’augmentation de l’intensité
3.1 Sonie
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Base
Apex
Membrane basilaire
Seuil SB
Seuil SHSaturation SB
Neurone SBNeurone SH
Recrutement :
si les CCE n’ajustent plus le mouvement de la membrane basilaire
3.1 Sonie
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Sonie des sons complexes
Les sonies de composantes situées dans différentes bandes de fréquence s’ajoutent
3.1 Sonie
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Notion de bande critique
Intégration
Fréquence
Énergie
seuil
60 phones
30 phones 30 phones
…
3.1 Sonie
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3 Sensations sonores
3.1 Sonie
3.2 Hauteur
3.3 Timbre
3.4 Localisation
PLAN
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Hauteur (tonie) :
Facile pour un son pur
Parfois plus difficile pour un son complexe(principalement par la fondamentale)
3.2 Hauteur
sensation permettant de ranger les sonssur une échelle des graves aux aigusselon que leur fréquence est basse ou haute
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Tonotopie cochléaire
Les régions de la membrane basilaire vibrant assez amplement pour induire l’excitation de neurones auditifs correspondent aux composantes spectrales du son
Base
ApexMembrane basilaire
25010004000
3.2 Hauteur
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Les potentiels d’action des neurones auditifs apparaissent au maximum de pression
même fréquence que le stimulus
(si basse fréquence)
CCI
Neurones cochléo-bulbaires
Nerf
Fibre 1
Fibre 2
Fibre 3
Son
3.2 Hauteur
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fréquence élevée : tonotopie (codage par la cadence des potentiels d’action impossible à cause de leur période réfractaire )
fréquence basse : codage par la cadence des potentiels d’action (tonotopie imprécise)
Deux mécanismes pour coder la fréquence :
3.2 Hauteur
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f (kHz)
Seuil(dB SPL)
Les neurones correspondant aux basses fréquences répondent de manière moins sélective que pour les hautes fréquences
3.2 Hauteur
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1000
Seuil différentiel relatif pour la tonie
4000 1600025062,5 f (Hz)
0,01
0,001
0,003
f
f f
fLoi de Weber : = constante
3.2 Hauteur
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Classement des sons selon leur hauteur
L’intervalle de hauteur est le même entre f1 et f2 et entre f3 et f4 si f1
f2
f3
f4
=
H = k Log f
H = k Logf1
f2
Cf. loi de Fechner :
Intervalle d’une octave :f1
f2
= 2
3.2 Hauteur
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3.2 Hauteur
Classement des sons selon leur hauteur
Gamme musicale DoDo #
RéRé #
Mi
FaFa #
SolSol #
La
SiDo
fa f 1,059 f
262 Hz277 Hz
a2 f 1,122 f 294 Hza3 f 1,189 f 311 Hza4 f 1,259 f 330 Hza5 f 1,334 f 349 Hza6 f 1,414 f 370 Hz
a7 f 1,498 f 392 Hza8 f 1,586 f 415 Hza9 f 1,681 f 440 Hz
a10 f 1,781 f 466 HzLa #
a11 f 1,886 f 494 Hza12 f 2 f 524 Hz
f
a = 2 1/12
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Classement des sons selon leur hauteur
(par définition : 131 mels = hauteur d’un son de 131 Hz)
2000
1000
500
200
100
mel
0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 kHz
131 mel
131 Hz
Échelle établie par ajustements subjectifs relatifs
3.2 Hauteur
Unité de tonie : mel
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Relations entre sonie et tonie
Effet de masque :
augmentation du seuil pour une fréquence si son simultané de fréquence inférieure
à basse fréquence : le plus fort paraît plus grave
à haute fréquence : le plus fort paraît plus aigu
3.2 Hauteur
2 sons ; intensité différentemême fréquence ;
Effet de la sonie sur la tonie :
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3.2 Hauteur
Phénomènes subjectifs
Sons subjectifs :
son pur puissant entendu avec des harmoniques
Restitution de la fondamentale :
harmoniques sans fondamentale
même hauteur qu’avec la fondamentale
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3.2 Hauteur
20 f (Hz)50 100 200 500 1000 2000 5000 10 k 20 k
basse
soprano
voix
fondamental harmoniques
Bande passante du téléphone
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3 Sensations sonores
3.1 Sonie
3.2 Hauteur
3.3 Timbre
3.4 Localisation
PLAN
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Timbre
Lié à la richesse et à l’amplitude des harmoniques
3.3 Timbre
sensation permettant de juger que deux sonscomplexes stables de mêmes sonie, hauteur, et durée de présentation sont différents
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p
t
3.3 Timbre
Timbre différent
a
f
a
f
a
f
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p
t
3.3 Timbre
Timbre identique
a
f
a
f
Pas d’influence de la phase
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Harmoniques élevés riches en énergie : « brillant »
Harmoniques bas riches en énergie : « doux »
3.3 Timbre
Flûte : peu d’harmoniques ; violon : beaucoup
Le timbre dépend du spectre fréquentiel
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faible intensité (basse fréquence)
faible intensité (haute fréquence)
importance décroissante
criard, éclatant
sans fondamental
impairs
pairs
3.3 Timbre
pauvre
Harmoniques Timbre
strident, perçant (picolo)
rond, chaud
forte intensité
nasillard (basson)
clarinette
violon
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Les caractéristiques spectrales ne suffisent pas
Rôle des traitements centraux
Le timbre dépend du spectre fréquentiel
Rôle des fluctuations temporelles :
une note enregistrée jouée « à l’envers » n’a pas le même timbre
3.3 Timbre
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3 Sensations sonores
3.1 Sonie
3.2 Hauteur
3.3 Timbre
3.4 Localisation
PLAN
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Basses fréquences :retard du côté le plus éloigné
Hautes fréquences :perte d’énergie du côté le plus éloigné
3.4 Localisation
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R
R sin
R
Écart interaural de temps
R + R sin
ct=
Diffraction
3.4 Localisation
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Écart interaural d’énergie
Atténuation
3.4 Localisation
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Conclusion
Versant perceptif plus complexe que le versant physique
Organe périphérique :sensible et capable de discrimination fine
S’intègre dans un système auditif plus vaste
Cochlée Noyau cochléaire
Complexeolivaire supérieurVIII
Lemniscus latéral
Colliculus inférieur
Corps géniculé médial
Cortex temporal
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Certains aspects de la physiologie acoustique sont complexes
Conclusion
Amélioration par les connaissances les plus récentes
Ce qui sera utilisé pour l’exploration de l’audition est les notions les mieux établies (dB, phones)
CNEBMN – Séminaire de Biophysique du 7 novembre 2011 – Acoustique physiologique
Q.C.M. 1
Le seuil d’audibilité à 1000 Hz est :
1 2.10-3 Pa
2 2.10-5 W.cm2
4 0 dB
5 - 1 dB
3 1012 W.cm-2
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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
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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
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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
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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
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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
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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
4 On localise certains sons grâce à la différence dephase des ondes perçues par les deux oreilles
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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
4 On localise certains sons grâce à la différence dephase des ondes perçues par les deux oreilles