Fiche de révision : Acoustique de la parole

📋 Plan du Cours

1. Propagation et sons périodiques simples
2. Sons périodiques complexes et spectre
3. Sons apériodiques
4. Résonance et fréquences naturelles
5. Résonances d’un tube fermé
6. Source, filtre et formants
7. Configuration articulatoire et formants
8. Sources sonores de la parole
9. Espace vocalique et variations

📖 1. Propagation et sons périodiques simples

🔑 Notions clés & Définitions

• Son : Phénomène vibratoire qui se propage à une certaine vitesse dans un milieu élastique, généralement l’air.

• Amplitude : Déplacement maximal par rapport à la position d’équilibre.
• Fréquence : Nombre de cycles par seconde, exprimé en hertz.

• Période : Durée d’un cycle complet.

★ À maîtriser

📌 Un son périodique présente un cycle qui se répète au cours du temps, contrairement à un son apériodique.

• La sensation d’intensité sonore, qui correspond à un son perçu comme fort ou faible, dépend essentiellement de l’amplitude.

• La sensation de hauteur, qui correspond à un son perçu comme grave ou aigu, dépend essentiellement de la fréquence ; plus celle-ci est élevée, plus le son est aigu.

📐 Formule - La fréquence est l’inverse de la période : $f = \frac{1}{T}$.

Compléments

• Lors de la propagation du son, chaque particule d’air va et vient autour de sa position d’équilibre et transmet ce mouvement de proche en proche entre la source et l’auditeur.

• Le son produit par un diapason est un son périodique simple représenté par une courbe sinusoïdale.

• La durée d’un son de parole se mesure en secondes ou en millisecondes, avec 1 seconde = 1000 millisecondes et 1 milliseconde = 0,001 seconde.

• Si chaque cycle dure 10 millisecondes, soit 0,01 seconde, la fréquence est de 100 cycles par seconde.

• À une fréquence de 200 Hz correspond une période de 5 millisecondes, soit 0,005 seconde.

• Dans un mouvement sinusoïdal amorti, l’amplitude du signal décroît d’un cycle à l’autre jusqu’à s’annuler après un certain temps.

📖 2. Sons périodiques complexes et spectre

🔑 Notions clés & Définitions

• Son périodique complexe : Son périodique dont la structure est plus complexe que celle d’une onde sinusoïdale.

• Spectre : Représentation de la structure d’une onde complexe qui indique la fréquence et l’amplitude de chaque composante sinusoïdale.

★ À maîtriser

• Un son périodique complexe possède une fréquence fondamentale et une amplitude, et la forme de son onde détermine son timbre.

• Selon le théorème de Fourier, un signal périodique complexe peut se décomposer en un ensemble de composantes sinusoïdales.

Compléments

• Dans l’exemple présenté, une onde complexe se décompose en trois sinusoïdes de 440 Hz, 880 Hz et 1320 Hz : le fondamental est à 440 Hz, le premier harmonique à 880 Hz et le deuxième harmonique à 1320 Hz.

📌 Dans un son périodique complexe, la fréquence de chaque composante sinusoïdale est un multiple entier de la fréquence fondamentale : le fondamental vaut $f_0$, le premier harmonique $2f_0$, le deuxième $3f_0$ et le troisième $4f_0$.

• Dans une onde périodique complexe, le nombre de cycles par seconde est égal à la fréquence fondamentale.

📖 3. Sons apériodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Son apériodique impulsionnel : Vibrations très brèves provoquées par une explosion ou un choc.
• Son apériodique continu : Vibrations apériodiques étalées dans le temps.

📝 Points essentiels

📌 Les sons apériodiques ne présentent pas de cycle identique qui se répète au cours du temps.

📌 Les sons apériodiques se distinguent en sons continus et sons impulsionnels.

💡 Astuce mémo

Une impulsion est brève ; un son continu s’étale dans le temps.

📖 4. Résonance et fréquences naturelles

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonateur : Système capable de vibrer sous l’action d’un autre objet en vibration.

• Fréquences de résonance naturelles : Fréquences particulières, ou série de fréquences particulières, auxquelles un résonateur tend à vibrer.
• Longueur d’onde : Longueur du parcours du mouvement vibratoire pendant une période, mesurée en mètres ou en centimètres.

★ À maîtriser

• Un effet premier du résonateur est d’amplifier le son qui le traverse, comme la caisse de résonance du violon ou le conduit vocal, dont le larynx forme le point d’entrée, qui amplifie la voix et la rend plus facile à percevoir.

• La fréquence naturelle dépend notamment de la longueur du résonateur, et sa modification permet de faire varier cette fréquence.

Compléments

• Un instrument de musique et le conduit vocal sont des exemples de résonateurs.

📌 Un objet qui tend à vibrer à une fréquence naturelle unique produit un son pur, tandis que d’autres objets vibrent à une série de fréquences naturelles.

💡 Astuce mémo

La résonance du conduit vocal amplifie la voix et facilite sa perception.

📖 5. Résonances d’un tube fermé

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un tube uniforme fermé à un bout, la longueur d’onde de la fréquence de résonance fondamentale $F_1$ est quatre fois la longueur du tube : $\lambda_1 = 4L$.

📐 Formule - Pour un tube uniforme fermé à un bout, les trois premières fréquences de résonance sont $F_1=\frac{340}{4L}$, $F_2=\frac{3\times340}{4L}$ et $F_3=\frac{5\times340}{4L}$, où 340 m/s est la vitesse de propagation du son dans l’air.

📐 Formule - Pour un tube uniforme fermé aux deux bouts, les trois premières fréquences de résonance sont $F_1=\frac{340}{2L}$, $F_2=\frac{340}{L}$ et $F_3=\frac{3\times340}{2L}$.

Compléments

📐 Formule - Pour un tube uniforme fermé à un bout, la longueur d’onde de la deuxième fréquence de résonance $F_2$ est égale à quatre tiers de la longueur du tube : $\lambda_2 = \frac{4L}{3}$.

📐 Formule - Pour un tube uniforme fermé à un bout, la longueur d’onde de la troisième fréquence de résonance $F_3$ est égale à quatre cinquièmes de la longueur du tube : $\lambda_3 = \frac{4L}{5}$.

• Dans un tube uniforme fermé à un bout, la longueur d’onde diminue entre les fréquences de résonance $F_1$ et $F_3$.

• Pour un tube uniforme fermé à un bout de 17 cm, les fréquences de résonance sont approximativement F1 = 500 Hz, F2 = 1 500 Hz et F3 = 2 500 Hz.

📖 6. Source, filtre et formants

🔑 Notions clés & Définitions

• Formants : Fréquences de résonance naturelles du conduit vocal, numérotées par ordre de fréquence croissante.

★ À maîtriser

📐 Formule - La théorie source-filtre représente la parole par la relation $W=S\times T$, où W est la parole, S une ou deux sources d’énergie sonore et T la fonction de transfert du conduit vocal.

• Quand la voix périodique complexe traverse les cavités supra-laryngées, celles-ci résonnent à leurs fréquences naturelles et renforcent les harmoniques proches de ces fréquences.

📌 La fréquence fondamentale f0 et celle des harmoniques dépendent du vibrateur laryngé, tandis que la fréquence des formants dépend de la forme du conduit vocal.

Compléments

• Lorsque f0 augmente avec le filtre vocal inchangé, les formants conservent la même fréquence tandis que les harmoniques s’espacent davantage.

• Lorsque la forme des résonateurs change, les formants changent de fréquence tandis que les harmoniques conservent leur fréquence.

💡 Astuce mémo

La source règle f0 et les harmoniques ; le filtre règle les formants.

📖 7. Configuration articulatoire et formants

★ À maîtriser

📌 La fréquence des formants est inversement proportionnelle à la longueur du conduit vocal : c’est la règle de la longueur.

• Les fréquences des formants dépendent de la configuration des cavités du conduit vocal et varient avec les mouvements articulatoires.

• L’auditeur s’appuie notamment sur F1, F2 et F3 pour catégoriser les voyelles et en percevoir le timbre.

Compléments

• La voyelle neutre [@] est représentée en assimilant le conduit vocal à un tube uniforme, fermé côté glotte en raison de la forte résistance à la propagation du son et ouvert aux lèvres.

• Pour un adulte de sexe masculin prononçant [@], les fréquences indiquées sont F1 = 500 Hz, F2 = 1 500 Hz et F3 = 2 500 Hz.

• La longueur moyenne du conduit vocal indiquée est de 17,5 cm chez l’homme et de 15 cm chez la femme.

• Pour [@], les fréquences de formants indiquées chez la femme sont F1 = 580 Hz, F2 = 1 750 Hz et F3 = 2 900 Hz.

• La voyelle [i] est produite avec la langue haute et avancée, une cavité orale resserrée à l’avant et plus étroite que le pharynx.

• La voyelle [a] est produite avec la langue en position basse et le pharynx resserré par rapport à la cavité orale.

• La voyelle [u] est produite avec la langue haute et reculée, les lèvres arrondies et une cavité orale resserrée à l’arrière et plus étroite que le pharynx.

📖 8. Sources sonores de la parole

★ À maîtriser

• Les voyelles comportent une source périodique à la glotte.

• Les fricatives non voisées comportent une source apériodique à la glotte ou au-dessus de la glotte.

• Les fricatives voisées comportent une source périodique et une source apériodique.

Compléments

• Les sources sonores de la parole se caractérisent selon :

  • leur type : périodique
  • leur type : apériodique
  • leur type : continue
  • leur type : transitoire
  • leur nombre : une source
  • leur nombre : deux sources
  • leur emplacement : au larynx
  • leur emplacement : au-dessus du larynx

• Les nasales et /l/ comportent chacune une source périodique à la glotte.

📖 9. Espace vocalique et variations

★ À maîtriser

• Les voyelles fermées ou mi-fermées ont un F1 plus bas que celui de [@], tandis que les voyelles ouvertes ou mi-ouvertes ont un F1 plus élevé.

• Les voyelles antérieures ont un F2 plus élevé que celui de [@], tandis que les voyelles postérieures ont un F2 moins élevé.

• Pour une même voyelle, F1 et F2 augmentent lorsque le conduit vocal est plus court, et l’augmentation de F2 est plus importante que celle de F1.

Compléments

• La disposition relative des voyelles dans le plan F1-F2 reste la même quelle que soit la taille du conduit vocal, ce qui constitue une invariance relative.

• Il est difficile de déterminer l’identité d’une voyelle à partir des valeurs absolues de F1 et F2 seules.

💡 Astuce mémo

Voyelle fermée : F1 plus bas ; voyelle antérieure : F2 plus élevé.