Relation Niveau/Temps : Loi du premier front d’onde
L’effet de précédence, est un phénomène psychoacoustique, décrit par la loi du premier front d’onde. Si deux sources distinctes spatialement émettent le même son, notre cerveau ne localisera que la source ayant émis le front d’onde arrivé en premier à nos oreilles, et ce, même si le premier signal est relativement plus faible que le second. En résumé, la source la plus proche de l’auditeur est localisée.
Si le décalage temporel entre les deux fronts excède une certaine durée, une sensation d’écho apparaîtra (~20 à 30ms). Le graphique ci-dessous représente les seuils d’écho pour de la voix (a) et des pulsations de bruits blancs (b) de différentes durées [1].
Cette propriété perceptive est beaucoup utilisée en sonorisation (Figure suivante), car elle permet, par exemple, de renforcer le son provenant d’une enceinte un peu trop lointaine S en ajoutant une nouvelle enceinte \(S_{del}\) plus proche d’une auditrice. En retardant le son sur cette nouvelle enceinte (de sorte que le front d’onde atteigne l’auditrice après celui de la première enceinte), il sera possible de renforcer le niveau sonore, tout en conservant la sensation que le son vient de la première enceinte.
\(S_{del}(t)\) est le signal émis par une enceinte de rappel \(S_{del}\). Elle est plus proche de l’auditrice que S qui émet le signal d’origine \(S(t)\).
Si \(S_{del}\) émet le même signal que S alors \(S_{del}(t)=S(t)\). L’auditrice aura l’impression que le son provient de \(S_{del}\) et non de S.
Pour que l’auditrice ait toujours l’impression que le signal provient de S il faut d’abord retarder le signal d’une certaine durée minimale \(\Delta t_{del}\).
On aura donc dans un premier temps \(S_{del}=S(t + \Delta t_{del})\).
Le retard minimal \(\Delta t_{del}=t_1-t_2\) correspond à la différence de parcours \(d=d_1-d_2\) de l’onde sonore émise par \(S\) et par \(S_{del}\) pour atteindre l’auditrice.
Le temps \(T\) mis par une onde sonore pour parcourir une certaine distance \(D\) est donné par la relation : \(T=D/c\) avec \(c\) la vitesse, la célérité du son dans l’air ≈ 340 m/s).
Ainsi, \(\Delta t_{del}=t_1-t_2=d_1/c-d_2/c=(d_1-d_2)/c\) Dans la pratique il faudra que ce retard soit supérieur ou égal à cette durée minimum \(\Delta t_{del} \geq (d_1 – d_2)/c\)
Évidemment il faudra également ajuster le niveau de \(S_{del}\). Dans la pratique, ce niveau est inférieur bien que dans certaines conditions décrites par la Figure précédente)(b) qui implique la nature du signal (voix, musique, spectre large bande…) il soit possible d’amplifier jusqu’à 10dB environ le signal d’origine retardé \(S(t+\Delta t_{del})\).
Perception de la distance
Comme nous l’avons vu ci-dessus, les indices de localisation principaux (ITD, ILD, HRTF) nous permettent de déterminer la direction de provenance d’un son. Mais ces indices ne permettent pas de percevoir la distance nous séparant d’une source sonore.
La perception de la distance repose sur des phénomènes nombreux et complexes, tels que le contexte, l’environnement auditif, le mouvement d’une source ou de l’auditeur, l’accoutumance à certains phénomènes acoustiques ou la simple perception visuelle. Néanmoins quelques phénomènes principaux se distinguent[2]:
- Les différences de niveau sonore, plus précisément la variation du niveau sonore, lors du déplacement d’une source.
- La modification du spectre (perte des hautes fréquences avec la distance, liée à l’absorption de l’air).
- Les indices liés à l’acoustique et la réverbération.
Réverbération et localisation
Lorsqu’une source acoustique rayonne dans une pièce, son énergie se propage dans plusieurs directions avant de parvenir à nos oreilles. [Ceci peut être décrit de manière simplifiée par] On perçoit d’abord le son direct, puis les premières réflexions, et enfin le champ diffus (Figure suivante).
Le son direct provient d’une direction unique liée à la position de la source (dans les réverbérations, cela est souvent appelé le signal “dry”).
Les premières réflexions sont causées par les surfaces proches de la source. Elles proviennent de plusieurs directions entourant la source, apportant des repères de localisation complémentaires, ainsi que des informations sur la taille et la tonalité de la pièce.
Enfin, le champ diffus est causé par les réflexions multiples et répétées sur tous les murs de la pièce. La densité temporelle élevée des réflexions dans toutes les directions forme un son continu dont l’amplitude décroit avec l’absorption des parois principalement. Il n’apporte pas directement d’indices sur la localisation de la source, mais plutôt des informations sur les caractéristiques de la salle : sa taille et sa tonalité.
La distance critique
A ne pas confondre avec la notion de distance critique qui sera développée avec la WFS.
Lorsqu’une source sonore est très éloignée de l’auditeur, le niveau du son réverbéré peut être supérieur au son direct. Dans ces conditions la localisation est rendue difficile voire impossible.
La distance critique définie cette distance où le niveau du son directe et le niveau du champ réverbéré sont égaux.
Autre conséquence, l’intelligibilité, c’est-à-dire notre capacité à décoder l’information émise (les mots émis par un locuteur par exemple), devient parfois impossible. En conclusion, plus cette distance sera petite plus l’effet de salle sera grand.
Dans une église, cette distance étant faible, il est nécessaire d’utilisé un système de distribution du son pour écouter et comprendre un texte.
Ainsi, il ne fait aucun doute que la réverbération participe à la perception de la distance d’une source sonore.
Enfin dans ces conditions, (c.à.d. au-delà de la distance critique), et si le temps de réverbération est suffisamment important, le niveau du champ diffus (réflexions et réverbération tardives) peut être supérieur au niveau des premières réflexions porteuses de la l’information directionnelle. La localisation d’une source devient extrêmement difficile voire impossible.
[1]J. Breebaart et C. Faller, Spatial Audio Processing: MPEG Surround and Other Applications, John Wiley & Sons, Ltd, 2007, p. 38.
[2] E. M. Wenzel, D. R. Begault et M. Godfroy-Cooper, Immersive Sound – The Art and Science of Binaural and Multi-Channel Audio : Perception of Spatial Sound, A. Roginska et P. Geluso, Éds., 2017.