La psychoacoustique au service du design sonore (2ème partie : comprendre les courbes d’isosonie)

Posted on septembre 8, 2010

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Concevoir des sons pour des utilisateurs implique de connaitre au préalable le fonctionnement,  les aptitudes et les limites du système auditif humain. Quand est mise au point une signalétique visuelle, le designer prend en compte les distances à laquelle celle-ci sera visible, déchiffrable ou parfaitement lisible. Taille des typographies, contraste des couleurs utilisées seront quelques-uns des « leviers » du designer graphique. L’oreille présente un processus de perception complexe, et sa sensibilité varie selon les fréquences, les niveaux sonores ainsi que l’environnement auxquels elle est confrontée. De plus, sa sensibilité évolue au cours de la vie avec des pertes dans le haut du spectre. Malgré ces limites, des chercheurs ont réussi à modéliser le comportement de l’oreille grâce à des expérimentations à grande échelle. Les courbes d’isosonie, appelée aussi courbes d’égale sensibilité de l’oreille, ont un intérêt particulier dans un contexte de design sonore.

Que sont les courbes d’isosonie et que représentent-elles ?

Avant d’en donner une définition, rappelons-nous que l’impression de volume sonore n’admet pas de relation simple avec le niveau de pression sonore. La sensibilité de l’oreille dépend de la fréquence. Cela est dû notamment aux résonances de l’oreille externe dans le médium, qui amplifie la pression sonore appliquée au tympan dans cette partie du spectre.

Appelées « equal loudness contour » en anglais, elles mesurent la pression sonore (en dB SPL) pour laquelle un auditeur perçoit un volume constant, quand on lui présente des sons purs (cad constitués d’une seule harmonique) de fréquence différente sur tout le spectre audible (de 20Hz à 20kHz). Dans l’expérience originale de Fletcher et Munson, un son pur de fréquence 1000 Hz était soumis comme référence était soumis aux auditeurs au moyen d’un casque, puis un autre de fréquence distincte dont il devait moduler l’intensité jusqu’à atteindre un volume ressenti comme identique au son de référence. En rejoignant les points pour chaque fréquence, ils ont pu dessiner ces courbes.

Voici quelques ordres de grandeur exprimés en phones (à ne pas confondre avec les décibels, qui expriment une grandeur physique indépendante de la sensation de volume ressentie) :

  • 0 = limite de l’audibilité
  • 20 = bruit de fond d’un studio
  • 50 = conversation faible
  • 90 = cri
  • 120 = Orchestre symphonique fortissimo
  • 140=seuil de douleur

Avec la pression sonore en ordonnée et les fréquences en abscisse, les courbes d’isosonie permettent de comparer, à sensation de volume identique,  la pression sonore nécessaire selon la fréquence.

Je vous invite à expérimenter le phénomène avant d’aller plus loin : écoutez les sons purs suivant, de volume égal (normalisés à -6dB), possédant respectivement des fréquences de 50, 100, 500, 1000, 3000, 10000 Hz. Prenez garde au réglage de volume de votre système d’écoute afin d’éviter toute mauvaise surprise. Si vous n’entendez rien à 50Hz, c’est probablement que vos enceintes ne descendent pas assez dans le grave. Dans ce cas, poursuivez avec le second son de fréquence 100Hz.

50Hz

100Hz

500Hz

1000Hz

3000Hz (attention au volume !)

10000Hz

Les recherches de Fletcher et Munson, publiées en 1933, ont été poursuivies avec un protocole différent par Robinson et Dadson (1956) puis l’institut international de standardisation (ISO) a compilé les résultats d’études plus récentes menées dans un grand nombre de pays en respectant un protocole homogène et amélioré. Il a ainsi pu donner une actualisation des courbes d’égale sensibilité en 2003 (ISO 226-2003). Il est à cet égard surprenant de constater que la plupart des manuels d’acoustique et d’ingénierie sonore continue de diffuser les premières courbes de Fletcher et Munson, alors que des différences significatives les distinguent de la version actualisée de 2003.

A la lecture de ce graphique, plusieurs conclusions s’imposent :

– un niveau de pression sonore plus important aux extrémités du spectre que dans le médium est nécessaire pour occasionner une sensation identique.
– les courbes sont d’autant plus plates que le niveau est élevé ; la sensibilité de l’oreille dépend du niveau du stimulus
– la répartition de l’intensité perçue du spectre diffère donc selon le niveau d’écoute

Il est intéressant de noter que la forme des courbes dépend des types de signaux utilisés durant les tests. Les représentations précédentes font usage de sons purs. Des expériences identiques menées avec des bande de bruit blanc filtré donne des résultats sensiblement différents. De même, la durée, le timbre et le profil dynamique des sons influe également sur notre sensation de volume. Une courte impulsion sera ressenti comme moins forte, à volume égal, qu’un son tenu. A l’inverse, un son distordu paraitra plus fort qu’un son non distordu, encore une fois à volume identique.

Le caractère irrégulier de la réponse en fréquence de l’oreille est source de différents problèmes pour le designer sonore :

L’équilibre spectral perçu dépend du niveau de reproduction. Un mixage idéal dans des conditions de studio pourra sembler manquer de basses et d’aigües s’il est écouté à un volume plus faible. En revanche, il pourra sembler agressif s’il est reproduit à un volume supérieur.

(La touche « loudness » des chaines hifi pallie aux problèmes d’une écoute à faible volume en effectuant une correction fréquentielle se traduisant par une amplification relative des graves ET des aigües, afin de se rapprocher du mixage tel que produit en studio par l’ingénieur du son.)

On peut en conclure qu’il est difficile sinon impossible de réaliser un mixage rendu fidèlement dans n’importe quelle condition d’écoute (chaine hifi, sonorisation plein air, baladeur, radio et télédiffusion, autoradio…). Le designer sonore veillera donc à produire un mixage au volume moyen supposé de reproduction ou encore proposera des mixages différents selon le contexte d’utilisation si la possibilité en est donnée.

En quoi la connaissance des courbes d’isosonie peut-elle profiter au designer sonore ?

Dans un environnement sonore « encombré », propice au masquage, il pourra veiller à ce que le son contienne beaucoup d’énergie dans la partie du spectre où l’oreille est la plus sensible (de 1kHz à 5kHz). Cette zone du spectre possédant une certaine « dureté », on pourra en user à dessein lors de la conception d’alarmes : plus celles-ci possèderont d’énergie dans cette partie du spectre, et plus leur caractère strident sera prononcé. Pour des messages présentant des degrés de danger différents, on pourra exprimer le caractère plus ou moins urgent de la réponse attendue de l’utilisateur en modulant la quantité d’énergie dans cette bande de fréquence (ex : dans un véhicule, pour une ceinture oubliée ou une panne majeure, le contenu spectral pourra être différent). Bien entendu les composantes temporelle (ou rythmique) et mélodiques (entre autres) viendront s’ajouter pour renforcer et asseoir le sens du message.

Nous verrons par la suite d’autres phénomènes psycho-acoustiques, dont la connaissance sera profitable au designer sonore qui doit intégrer ses créations dans un environnement « hostile » (lieu public, présence de bruits de machine et de moteurs). L’effet de masque sera en particulier abordé lors d’un prochain billet.

Et vous, quels bénéfices pensez-vous pouvoir tirer d’une meilleure compréhension de l’isosonie ? En quoi cela permettrait-il d’améliorer les créations sonores ?

Sources :
wikipedia : article « equal loudness contour »
livre « son et enregistrement » de Francis Rumsey et Tim McCormick
livre « initiation à l’acoustique » de Antonio Fischetti

Liens :
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