Etude du son assistée par ordinateur

Objectifs du TP :

  1. Communication avec l'ordinateur
    1. Quelles sont les transformations que doit subir le signal sonore (celui auquel notre oreille est sensible) avant d'être traité par l'ordinateur ?
    2. Quels sont les dispositifs qui réalisent ces opérations ? (soyez précis)
    3. En sens inverse, quelles sont les opérations permettant à un 'fichier son' stocké par l'ordinateur d'être converti en un signal sonore perceptible par nos oreilles et quels sont les dispositifs qui réalisent ces opérations ?

  2. Dispositif expérimental et logiciel.
    1. Réglages des propriétés audio :
      • Brancher sur la sortie 'speak' de la carte son l'adaptateur double jack. Relier les 2 casques (fiche grise) à cet adaptateur et un des deux microphones (fiche rouge) sur l'entrée 'mic'.
      • Dans la barre des tâches de Windows, en bas à droite, cliquer sur le haut-parleur avec le bouton de droite de la souris et choisir 'Ajuster les propriétés Audio' dans le menu surgissant. Choisir l'onglet 'Audio'.
      • Réglages du volume en sortie : Dans 'Lecture des sons', cliquer sur 'Volume', vérifier que 'Wav' n'est pas 'muet' et que 'Volume' n'est pas 'Tous muets', régler l'amplitude vers ¾ du maximum (on pourra rectifier si besoin par la suite).
      • Réglages du volume en entrée : Dans 'Enregistrement' , cliquer sur 'Volume'. Cocher 'Microphone' et régler le volume vers ¾ du maximum. Fermer.
    2. Test du fonctionnement du programme
      • Dans le dossier 'TP Son' qui est dans votre 'Home' lancer le programme 'Acquisonic'
      • Cliquer sur le menu 'Paramétrer', faire 'OK' dans la fenêtre qui s'ouvre et cliquer sur le bouton 'Acquisition' en haut à droite : le programme doit afficher le signal sonore en continu, un peu comme un oscilloscope. Cliquer à nouveau sur le même bouton (qui affiche maintenant 'Stopper' pour arrêter l'acquisition.

  3. Nature du signal sonore, sensibilité de l'oreille.
    1. Cliquer de nouveau sur Acquisition et parler dans le micro. Quel changement observe-t-on sur la courbe quand on parle plus fort ?
    2. Un "son silencieux"

        Paramétrage de l'acquisition
        Cliquer de nouveau sur le menu 'Paramétrer'. Laisser '16 digits', 'Répéter'avec le délai '50ms', choisir 8000 Hz comme fréquence d'échantillonnage et 4096 points dans 'Points/durée'. Cliquer sur Acquisition. Créer un courant d'air en agitant la main ou un livre près du micro, en essayant de ne pas faire de bruit (et sans taper sur le micro...).
      1. Qu'observe-t-on à l'écran ? A quoi le micro est-il sensible ?
        Cliquer sur le bouton Stop pour enregistrer une partie du signal obtenu (il faut être deux , mais si vous êtes tout seul prenez l'option 'Une seule/déclenchée' dans Paramètres, voir ci-après).
        Agrandissez le signal horizontalement jusqu'à ne voir qu'une ou deux 'ondulations'. Dans le menu 'Etude du signal' choisissez 'Curseur/ sélecteur . Placer les curseurs sur deux sommets ou deux creux successifs.
      2. De quel ordre de grandeur est la durée qui les sépare ?
      3. Que vaut en Hz l'inverse de cette durée ?
    3. Un son qu'on entend

        Enregistrer maintenant votre voix, en disant 'Bonjour'. Pour faciliter l'enregistrement, modifier préalablement le paramétrage : au lieu de 'Répéter', choisir 'une seule' et 'déclenchée'. La petite flèche rose à gauche de l'écran indique le niveau de signal déclenchant l'acquisition. On peut en principe la laisser à sa position initiale, mais si l'acquisition se déclenche trop tôt on peut la déplacer vers le haut ou le bas pour augmenter le niveau de déclenchement. Cliquer sur 'Acquisition'. Un sablier apparaît et le bouton affiche 'Stopper': parler dans le micro doit déclencher l'acquisition. En cas de problème cliquer sur le bouton 'Stopper' arrête l'acquisition.
      1. Y-a-t'il une grande différence entre les amplitudes des courbes , dans ce cas et dans celui du courant d'air silencieux? Quelles sont les différences entre les deux enregistrements ?
      2. Mesurer de la même façon, sur le signal agrandi horizontalement, la durée d'une période et la fréquence correspondante. Comparer avec le cas précédent.

  4. Son et fréquence

      Le dossier 'TP Son/fréquences' contient quelques échantillons de sons de différentes fréquences, mais de même amplitude. Cliquer sur le menu 'Fichier / ouvrir' et choisir dans ce dossier '2000hz.azk'. Cliquer sur le menu 'Ecouter' puis sur le bouton 'Ecouter'.
      Comparer les impressions sonores obtenues avec d'autres fichiers de ce dossier, contenant d'autres fréquences (le nom du fichier indique la fréquence).
    1. Quelle est la propriété du son qui varie de la manière la plus évidente avec la fréquence ? De quelle manière
    2. En dessous d'une certaine fréquence le son n'est plus audible. Déterminer approximativement ce seuil ( modifier éventuellement les réglages du volume du son en sortie, mais par précaution enlever le casque de sur les oreilles avant d'écouter un son si vous venez d'augmenter le volume ou d'ouvrir un autre fichier )
      Attention pour cette question comme pour la suivante : pour les sons peu audibles on a tendance à augmenter fortement le son, et des sons parasites peuvent alors apparaître. Vérifier que la hauteur du son que vous entendez est bien cohérente avec la fréquence annoncée, en comparant à d'autres sons.
    3. De même en haute fréquence, déterminer dans quelle zone de fréquence on cesse de percevoir le son. Comment s'appellent les sons de fréquence supérieure à cette limite ?
    4. Quelle relation peut-on faire entre ces observations et celles du 2 et du 3 ?
    5. Dans la zone des fréquences audibles, la sensibilité de l'oreille vous paraît-elle la même à toutes les fréquences ?
    6. Quelles sont les fréquences que vous qualifieriez de graves, d'aigües, de moyennes (la réponse est évidemment subjective).
  5. La parole

      Paramétrer l'acquisition : 16 digits, une seule/déclenchée, fréquence d'échantillonnage 11025Hz et 8192 points. Faire une acquisition déclenchée en prononçant distinctement le mot 'acoustique'. Ecouter le résultat, renouveler éventuellement l'acquisition jusqu'à avoir un enregistrement de bonne qualité, sans trop de 'souffle', de la totalité du mot.
    1. Comment les syllabes apparaissent-elles sur l'enregistrement ?
    2. Ecouter le mot à l'envers. Quelles sont les sons les plus reconnaissables ?
      Vous pouvez sauvegarder votre enregistrement, par 'Fichier/Sauvegarder', au format Acquisonic, dans votre 'Home'.
    3. Son et forme de la courbe
      On va essayer d'identifier la partie de courbe correspondant à chacun des sons dans le mot 'Acoustique'.
      Pour cela, pour chaque syllabe : agrandire horizontalement la courbe pour isoler le signal correspondant. Dans 'Ecouter', on peut écouter seulement les données affichées.
      En utilisant le menu'Etude du signal/Curseurs/sélecteurs' on peut également sélectionner une partie de la courbe : placer les curseurs de part et d'autre de la zone à sélectionner, puis cliquer sur le bouton 'Sélectionner' faire 'OK'. La partie sélectionnée apparaît alors en rose sur la courbe et peut être écoutée seule.
      Par défaut quand une sélection est active l'otion 'Ecouter les données sélectionnées' est activée dans Ecouter. On peut désactiver une sélection et la réactiver en décochant/cochant la ligne 'Sélection' dans le menu 'Etude des données'.

      Repérer dans le mot 'acoustique' les parties correspondants aux sons voyelles 'a', 'ou', 'i' d'une part, et aux sons consonne d'autre part : le premier 'k' (peu sonore, inclu dans un mot), 's', 't', et le second 'k' sonore en fin de mot. Séparer le mieux possible les sons. Par le menu 'Fichier / enregistrer', enregistrer chacun de ces sons dans un fichier '.azk' portant le même nom (k1 et k2 pour les sons k).
      1. Quels sont les sons qui sont les moins modifiés quand on les écoute à l'envers ?
      2. Quelles différences constate-t-on entre les sons 'voyelles' et les sons 'consonne', au niveau du graphe ?
      3. Quelle est le son le plus bref ? Le plus long? Relever leurs durées.
      4. Comparer les résultats entre groupes voisins, ou entre deux personnes d'un même binôme. Les courbes se ressemblent-elles forcément pour un même son ?
    4. Voyelles
      Pour le son 'a' :
      Agrandir l'image et sélectionner une seule période du son, en partant d'un point près du milieu de l'écran. Les boutons permettent de placer chaque curseur sur une position où le signal passe par zéro, en montant (bouton de gauche) ou en descendant (bouton de droite). Le premier clic amène le curseur sur le 'zéro' le plus à gauche et les clics suivants le font avancer de 'zéro" en 'zéro'.
      Le but est d'écouter la période sélectionnée en boucle. Pour que l'expérience fonctionne bien il faut sélectionner une période le plus précisément possible, en veillant à ce que le premier et le dernier point de la sélection se raccordent bien.
      Si vous sélectionnez le premier et le dernier point dans une partie montante de la courbe, v1 doit être juste plus grand que v2.
      Si vous sélectionnez les points dans une partie descendante, il doit être juste plus petit.
      Sur le schéma ci-dessus, on montre à gauche une sélection correcte, et à droite une sélection incorrecte.
      1. Ecouter la sélection. Reconnaissez-vous le son ?
      2. Cocher 'Ecouter en boucle'. A partir de quelle durée le son entendu cesse-t-il de ressembler à un 'coup' ou à un 'crachotis' ?
      3. Comparer avec les durées des sons du D2c.
        Cette durée est le temps minimal qu'il faut à votre système auditif pour identifier correctement un son.
  6. Paramètres de numérisation et qualité du son.
    1. Format
      Dans 'Ecouter', on peut choisir de restituer le son dans un format inférieur au format initial : 8,6 ou 4 digits au lieu de 16. Que constate-t-on en passant de 16 à 8 digits ? A 6 digits et 4 digits ?
      (on peut aussi paramétrer pour enregistrer en 8 digits, puis écouter dans les autres formats).
    2. Fréquence d'échantillonnage.
      Paramétrer à 8000hz, 4096 points en mode déclenché et dites 'Bonjour'. Ecouter.
      Agrandir fortement la courbe horizontalement et observer son allure.Recommencer à 4000Hz, 2048 points, et ainsi de suite en diminuant la fréquence d'échantillonnage et le nombre de points (quand on divise par 2 la fréquence, diviser par 2 le nombre de points permet de garder la même durée totale).
      1. Jusqu'à quelle fréquence d'échantillonnage la parole reste-t-elle à peu près compréhensible ?
      2. Comment l'allure de la courbe, regardée avec un fort agrandissement, change-t-elle lorsque la fréquence d'échantillonnage diminue ? Comment peut-on expliquer que la parole devienne alors de moins en moins compréhensible ?
  7. Spectre d'un son

      Le menu 'Etude du signal' contient une fonction 'spectre'. Avant de l'utiliser nous allons étudier cette notion de 'spectre'.
    1. Dans quel domaine de la Physique avez-vous déjà rencontré la notion de 'spectre' ?
    2. En quoi consistait la réalisation d'un spectre ?
      Réouvrir l'enregistrement du son 'a' de 'acoustique'. Cliquer sur 'Etude du signal/spectre'. Le spectre est constitué d'un certain nombre de 'pics' correspondant chacun à une fréquence présente dans le son.
    3. On va utiliser un autre programme pour mieux comprendre ce que sont ces différentes fréquences.
      Quitter Acquisonic et lancer le programme Harmonie.
      La fenêtre du haut représente le signal, comme dans Acquisonic.
      1. Si vous l'agrandissez avec le bouton 'loupe', quelle est sa forme ? A quel son pense-t-on quand on l'écoute ?
      2. Quelle est sa période ?

        A côté du mot "Harmoniques", cliquer sur le bouton 'Ajouter', sélectionner '2' dans la liste, régler l'amplitude vers 0,6 et laisser 'phase' sur 0 et valider.
        Le signal est maintenant la somme de deux sinusoïdes.
        Dans les deux cadres en bas à droite cette composition du signal est représentée de deux façons différentes : dans le cadre de droite, on voit les graphes des deux sinusoïdes, dessinées l'une au-dessus de l'autre. Dans le plus à gauche on voit le spectre du signal. Il comporte maintenant deux barres, indiquant que le signal est composé de deux sinusoïdes. La hauteur de la seconde barre est environ égale à 0,6 fois celle de la première, puisqu'on a choisi une amplitude de 0,6 pour cette seconde composante. Le bouton ' Détails' confirme cette composition.
      3. Comparer la période et la fréquence des deux sinusoïdes dans le cadre de droite
        Faire un zoom avant sur la courbe représentant le signal résultant en haut de la fenêtre.
      4. Quelle est maintenant sa période, quelle est sa fréquence ?
      5. A-t-elle la même forme que précédemment ?
      6. Produit-elle le même son quand on l'écoute ? (Pour désactiver momentanément une composante, sélectionner son n° dans la liste déroulante marquée 'rang' et utiliser la case à cocher 'Activer' : on peut ainsi désactiver la composante 2 pour réécouter le son produit par la sinusoïde initiale).
    4. Amplitudes
      A l'aide du bouton 'Amplitudes relatives', modifier les amplitudes des deux sinusoïdes. Cela modifie-t-il
      le spectre
      la période et la fréquence du signal résultant
      sa forme
      le son produit
    5. Phases :
      Sélectionner dans la liste déroulante la composante n°2 et cliquer sur le bouton 'Phase'. Modifier la valeur de celle-ci.
      1. Quel changement cela produit-il sur les graphes des sinusoïdes, en bas à droite ?
      2. Pour le signal résultant, cela modifie-t-il
        son spectre
        sa période et sa fréquence
        sa forme
        le son produit
    6. Harmoniques

        Ajouter d'autres composantes comme précédemment.
      1. Cela change-t-il:
        la période et la fréquence du signal résultant
        sa forme
        le son produit
      2. En regardant les graphes des sinusoïdes en bas à droite, quelle relation voit-on entre le 'rang' de chaque sinusoïde et sa fréquence ?
      Les sons produits par Harmonie sont de type harmonique : la fréquence de chacune des composantes du spectre est un multiple de la fréquence du signal résultant. Pour les musiciens, la composante de rang 1 s'appelle le 'fondamental' et les autres sont les 'harmoniques'.

  8. Analyse de sons avec Acquisonic

      Réaliser un son de fréquence inférieure à 500Hz, en ajoutant des harmoniques de rang inférieur à 40 (pour que la numérisation reste correcte).
      Relever les caractéristiques suivantes de votre son (utiliser le bouton 'Détail' et éventuellement 'Copier' pour récupérer les données) :
      • Fréquence
      • Harmoniques présentes avec pour chacune son rang , son amplitude relative, son état actif ou non.

      Cliquer sur le bouton marqué ".wav" pour l'enregistrer dans un fichier son, donner 'EssaiSpectre' comme nom de fichier.
      Quitter Harmonie et relancer Acquisonic. Dans le menu 'Fichier', cliquer 'Importer Wav' et choisir votre fichier 'EssaiSpectre'.
      Agrandir le signal pour ne voir que quelques périodes, décaler vers la droite pour voir une région d'amplitude constante, cliquer sur 'Spectre'.
    1. A quelles fréquences sont les plus grandes composantes du spectre obtenu ? Comparer avec le spectre fournies par Harmonie.
      Le spectre obtenu comporte généralement beaucoup d'autres petits pics, dus au fait que le programme n'a pas d'indications sur la fréquence du signal analysé.
    2. Amélioration du spectre :
      Fermer la fenêtre du spectre et sélectionner une partie de la courbe correspondant à une ou plusieurs périodes, le plus précisément possible. Cliquer à nouveau sur 'spectre' : que constate-t-on ?
    3. Langage et spectres
      On va revenir maintenant aux sons du mot 'acoustique' enregistrés précédemment.
      1. Réaliser le spectre de chacun de ces sons. Quelle différence peut-on faire entre les spectres des sons 'voyelles' et ceux des consonnes ? Quels sont ceux qui s'apparentent le plus à des sons harmoniques ?
      2. Pour le a, le i et le ou, réaliser un spectre sur une ou plusieurs périodes entières. Comparer les résultats avec ceux d'un autre groupe.
    4. Autres sons
      Dans le dossier 'TP son' se trouvent trois sous-dossiers 'instruments','animaux','autres' contenant des échantillons de sons au format Wav.
      Ils durent souvent plusieurs secondes : pour que le résultat soit intéressant il faut n'en analyser qu'une petite partie à la fois, une durée de quelques centaines de ms donne en général de bons résultats.
      Vous pouvez ainsi rechercher le point commun entre un son 'voyelle', le meuglement d'une vache et le son des instruments de musique.
      Grâce au bouton 'Filtrer' de la fenêtre Spectre, vous pouvez aussi supprimer une partie du spectre d'un son et écouter le résultat.

 
© 2004 Scientillula.net