CM Garnier

Examen

Ecrit, pas par coeur plein de trucs, juste apprendre bien les notions ‘ultra’ importantes (5-6) Savoir retrouver (cours/internet) les infos utiles, DOCUMENTS AUTORISES

4 parties :

• questions de cours
• compréhension de l’article scientifique fourni
• explication des phénomènes décrits dans l’article grâce au cours
• bonus: réflexion/imagination d’un protocole expé

INTRODUCTION

Les enjeux de la perception

Les enjeux de la perception

La perception 'utile'

• Problèmes de surdité
  • Comment le son est-il capté, transformé en influx nerveux ? Quelles zones cérébrales sont impliquées ?
• Problème de compréhension de la parole
  • A quels niveaux peut il y avoir des problèmes ?
• Problèmes à identifier une source
  • Comment le son est-il localisé dans l’espace ?
• Enregistrer et restituer un son perçu dans l’espace
• Concevoir un signal d’avertissement
  • Quels sont les indices importants du signal faisant sens pour l’auditeur ?

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La perception de gêne et de nuisance sonore

• Lieu de travail
  • Quels indices du signal contribuent à la gêne des auditeurs ?
• Lieux public
  • Quelles significations leur sont associées ?
• Bruits de transport
  • Comment réduire ces nuisances en tenant compte de ces significations et améliorer le confort des personnes ?
• Logement individuels

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La perception de la qualité sonore d'une source

• Choix d’une enceinte acoustique
• Évaluation du timbre d’une voix ou d’un instrument de musique
• Évaluation de l’acoustique d’une salle
• Écoute critique d’une prise de son
• Production d’un objet dont le son répond aux attentes ou aux besoins d’un consommateur
  • Quels indices du signal contribuent à la perception de telle ou telle qualité sonore ? Beaucoup d’indice visuels aussi.
  • Quel mécanisme de production ou de traitement du son permet de contrôler cet indice ? (Implications en facture, pédagogie ou en marketing)
• Apprentissage du contrôle de la qualité sonore d’un instrument

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La perception et la technique

• Reconnaître automatiquement de la parole ou des sources sonores
• Séparer automatiquement des flux ou des sources sonores
  • Quels sont les indices du signal et les mécanismes cognitifs d’intégration de ces indices qui permettent d’identifier une source ou de la séparer d’un fond sonore ?
• Réduire la taille de stockage d’un son
  • Quels sont les indices non importants ou non perçus que l’on peut « abîmer » ou supprimer sans trop entacher la qualité sonore?
• Effectuer le doublage audio d’un film
  • Quels sont les mécanismes cognitifs d’intégration multimodale ?
• Implants cochléaires

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La perception et l'art

• Jouer sur des iIllusions sensorielles
• Prédire les effets perceptifs de modes de synthèse et transformations
  • Quelles transformations et non linéarités des systèmes sensoriels ?
  • Quels indices sont particulièrement saillants ?
• Inspirer la création de nouveaux instruments ou modes d’expression
• Lien perception-action et ergonomie des interfaces de création
• Multimodalité (et parfois synesthésie)
  • Liens entre systèmes sensoriels, et avec le système moteur ?

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Différents traitements sensoriels et cognitifs

Processus cognitifs ‘bas-niveau’: Lié à la physiologie, légère variabilité inter-individus car on a globalement tous les mêmes appareils sensoriels.

Processus cognitifs ‘haut-niveau’: Lié aux expériences, connaissances et à la mémoire de manière générale, grande variabilité inter-individuelle.

Trois dimensions des sons

• Hauteur: Grave ou aigüe
• Intensité: Légère ou forte
• Timbre: Complexité fréquentiel VOIR COURS SUR LE TIMBRE!

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Un son est une variation de pression au cours du temps, d’après le théorème de Fourier, n’importe quel son peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux purs:

Si on les représente sous forme fréquentielle (spectrale), on obtient:

Physiologie du système auditif

L’oreille externe

Filtrage

Oreille externe - Filtrage

Le pavillon concentre l’énergie sonore vers le système auditif. Le conduit auditif (1cm de diamètre pour 2.5cm de longueur moyenne) amplifie les fréquences entre 2 et 5kHz. La fonction de transfert en amplitude de l’oreille externe est donnée sur la figure suivante:

Notion à retenir

Sensibilité spécifique de l’oreille

L’oreille humaine est particulièrement sensible aux fréquences autour de 2-3kHz. Cela est du principalement à trois facteurs:

• ==Résonance du conduit auditif== à ces fréquences, de part ses dimensions/son volume (la fréquence de résonance d’un ‘tube’ dépend du volume d’air contenu dedans) (Oreille externe)
• ==Résonance de la chaîne d’osselets== à ces fréquences. (Oreille moyenne)
• TODO

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Directivité

Oreille externe - Directivité

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Conduction osseuse et effet d’occlusion

Conduction osseuse et effet d'occlusion

Même en cas d’occlusion (eau, boule-quiess, …), le son est conduit par les os (,tissus, cartilages) afin d’être converti en influx nerveux. La plupart du temps, les conductions aérienne et osseuse se cumulent pour transmettre le son.

En conduction osseuse: forte atténuation des basses et surtout des hautes fréquences. C’est typiquement à cause de ça que notre voix nous parait plus aigüe/criarde sur un enregistrement: pas/peu de conduction osseuse par rapport au moment de parler (alors que la conduction osseuse atténue beaucoup les hautes fréquences).

Note: On ne constate pas le pic de conduction autour des 2-3kHz sur cette fonction de transfert, probablement à cause de transformation appliquée par les auteurs (“Pörschmann 2000)“p.8).

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L’oreille moyenne

Le tympan

Le tympan

Membrane qui marque la limite entre l’oreille externe et l’oreille moyenne. Il a pour rôle l’amplification et la transmission des vibrations sonores à la chaîne des osselets. Il permet aussi de protéger l’oreille moyenne.

Dimension : 8mm Composition, trois couches membraneuses:

• une couche de peau du côté de l’oreille externe
• une couche de muqueuse du côté de l’oreille moyenne
• une couche de tissu conjonctif entre les deux.

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Les osselets

Les osselets

Ils ont pour rôle la transduction et d’amplification de vibration de l’air en vibration mécanique. L’amplification est réalisé par adaptation d’impédance (passage aérien vers aquatique) et par différence de surfaces d’activation : 55mm² sur le tympan et 2mm² sur la fenêtre ovale.

La fonction de transfert des osselets est donnée ici:

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Les muscles tympaniques et stapédiens

Les muscles tympaniques et stapédiens

Les muscles stapédiens agissent comme des ‘fusibles’ de protection de l’oreille. Les sons intenses (>80dB) provoquent le réflexe stapédien: les muscles se contractent afin de limité le mouvement des osselets.

Ce réflexe a les caractéristiques suivantes:

Latence	Durée	Atténuation
100ms	1 à 3min (sensation de sifflement/coton suite à un bruit intense)	-10dB
Les muscles tympaniques permettent d’atténuer le son entendu, typiquement lors de la production de la parole, ou dans une ambiance bruyante.

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La trompe d’Eustache

La trompe d'Eustache

Elle permet l’équilibre des pressions entre la pression extérieure et la pression à l’intérieur de la chambre du tympan. Elle n’a pas d’autre rôle dans notre audition.

Lié aussi au phénomène d’otites, il s’agit de l’infection de cette cavité, qui remonte typiquement par la bouche. Les otites sont plus fréquentes chez les enfants que chez l’adultes parce que leur crâne étant plus petit, leur trompe d’Eustache est quasiment horizontale.

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L’oreille interne

Dimensions:

• 20mm * 13mm
• 30mm de long pour le canal cochléaire déplié

Les vibrations mécaniques sont transmise dans l’oreille interne au travers du liquide lymphatique, la transduction en signal nerveux est faite le long de la rampe vestibulaire.

La cochlée

La cochlée

L’onde sonore entre dans la cochlée par la fenêtre ovale, elle circule le long de la rampe vestibulaire et ressort par la rampe tympanique. Le long de ces rampes se trouvent respectivement les membranes de Reissner et basilaire; leur déformation sous l’onde mécanique est à l’origine de la transduction des variations de pression en signal nerveux.

Tonotopie

Notion importante

Tonotopie

Tonotopie

La membrane basilaire ne réagit pas de la même manière aux différentes fréquences selon l’endroit de stimulation. La base de la membrane basilaire, plus étroite et plus rigide que sont apex, réagit principalement aux fréquences hautes. On observe donc un maximum de déformation à basse fréquence au niveau de l'apex; et un maximum de déformation à haute fréquence au niveau de la base.

	Largeur	Rigidité	Fréquences d’excitation
Base	Etroite	Rigide	Hautes
Apex	Large	Souple	Basses

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Organe de Corti

Organe de Corti

La membrane tectoriale repose sur les cils présents sur la membrane basilaire. Les vibrations dues aux ondes acoustiques provoquent des mouvements de la membrane tectoriale et donc des mouvements des cils.

Il existe deux types de cellules ciliées:

• Cellules ciliées internes (une rangée): participent principalement à la transduction des vibrations en influx nerveux. (3.5k cellules dans la cochlée)
• Cellules ciliées externes (3 rangées): participent plutôt à l’amplification des vibrations. (12k cellules dans la cochlée)

Le déplacement des cils provoque l’ouverture de canaux récepteurs au niveau des cils, l’entrée d’ion va provoquer la dépolarisation de la cellule ciliée et donc l’augmentation du potentiel électrique au niveau de la base de la cellule.

La relation entre le déplacement des cils et le potentiel de récepteur n’est pas complètement linéaire. L’amplitude des variations de potentiel croit linéairement seulement à faible intensité. On observe une fonction de couplage logarithmique (caractéristique des transducteurs sensoriels.)

Au niveau de la synapse (lien entre la base de la CCI, et la cellule réceptrice suivante), on a des potentiels d’action (PA) unitaire. La création de PA nécessite un potentiel de récepteur suffisant:

• Seuil et loi du tout ou rien: Pas de PA sans amplitude suffisante du potentiel récepteur (de l’ordre du mV).
• Latence d’environ 1ms par rapport au stimulus sonore (contrairement à la variation de potentiel dans la cellule ciliée).
• Période réfractaire de 1ms.

Les PA générés sont toujours les mêmes, indépendamment de l’intensité sonore. Sur la figure suivante, la courbe en haut correspond au potentiel de récepteur dans cellule ciliée interne, et les traits en bas correspondent aux potentiels d’actions générés en conséquence. La ligne rouge indique le seuil de la synapse.

Encodage de la fréquence des sons:

Notion importante!

Encodage de la fréquence des sons

Encodage de la fréquence des sons

• La “période” des trains de PA : l’espacement entre deux trains (le ‘pas’) de PA.
• Tonotopie: les PA ne sont présents que dans les synapses des cellules les plus sensibles à la fréquence de stimulation. Les autres cellules de la cochlée n’étant pas suffisamment stimulées.

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Encodage de l'intensité des sons:

Notion importante!

Encodage de l’intensité des sons

Encodage de l'intensité des sons

L’intensité des sons est encodée par le nombre de PA dans le train.
En l’absence de son, des PA sont toujours émis, on parle d’activité spontanée; lors de la présence d’un son, plus de PA sont émis, on parle d’activité évoquée.

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Retour sur la tonotopie:

Retour sur la tonotopie

Les cellules ciliées au niveau de la base de la cochlée sont plus fermes que celles présente sur l’apex.

	Fermeté des cellules ciliées	Longueur
Base	Ferme	25µm
Apex	Lâche	70µm
En plus de cela, les cellules ciliées externes (CCE) ont un rôle d’oscillateurs qui amplifie (très localement) la vibration de la membrane basilaire. Il s’agit là d’un mécanisme actif : l’électromotilité :contraction avec les variations de potentiel (raccourcissement en dépolarisation, allongement en repolarisation).
Cette amplification permet d’augmenter la sensibilité de la cochlée d’environ 50dB et d’améliorer la discrimination de deux fréquences proches.

C’est aussi ce mécanisme tonotopique qui permet la décomposition de sons complexe, le lieu du maximum de déformation dépendant de la fréquence de l’onde sonore.

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Système vestibulaire

Système vestibulaire

Les mouvements de la tête provoque, par inertie du liquide lymphatique à l’intérieur des canaux semi-circulaires, la création de messages nerveux au niveau des cellules sensorielles contenues dans ces canaux. Chaque canal correspond à un axe de rotation dans l’espace 3D.

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