La perception naturelle de l’espace sonore passe par le positionnement des sources qui nous entourent et que l’on nomme localisation. Localiser une source, c’est déterminer sa direction, donc son azimut et sa hauteur (élévation), puis la distance à laquelle elle se trouve, donc sa profondeur.
Une onde acoustique issue d’une source S parvient aux oreilles de l’auditeur
en signaux:
- Sd arrivant directement à l’oreille droite
- Sd arrivant à l’oreille gauche (opposée à la source),
appelée " onde de contournement " (cf. figure ci-dessous).
L’assimilation de la tête à une sphère de rayon r définit
la différence de temps d’arrivée des signaux provenant d’une
source sonore suffisamment éloignée en fonction de son angle d’incidence.
On calcule qu’une source sonore située à 90° (localisation latérale extrême) est perçue avec une différence de temps de 0,65 ms, valeur de retard maximum d’une oreille par rapport à l’autre.
La tête, de par sa morphologie, constitue un obstacle à l’onde
sonore. La texture de l'oreille, la
forme du pavillon et du canal, le tympan provoquent des phénomènes
de diffraction et d’absorption, d’où filtrage en fréquence
qui dépend de la source sonore. La complexité de ce filtrage est
telle qu’il n’existe à ce jour aucune modélisation mathématique
vraiment fiable. La figure ci-dessous montre, pour une source
sonore se déplaçant de 0 à 180°, les différences
d’intensité en fréquence obtenues expérimentalement.
Pour chaque position de la source sonore, la différence d’intensité perçue par chaque oreille est fonction de la fréquence: on parle de fonction de transfert interaurale. Mais les différences d’intensité sont beaucoup plus significatives lorsque la valeur de la longueur d’onde se rapproche des dimensions de la tête, donc pour les fréquences supérieures à 250 Hz.
L’homme mémoriserait au cours de sa vie une multitude de fonctions
de transfert interaurales correspondant à des directions différentes.
Les filtrages mémorisés viendraient s’ajouter au spectre
de la source et permettraient notamment de lever l’ambiguïté
de localisation entre l’avant et l’arrière, le haut et le bas.
Les petits mouvements instinctifs de la tête précisent encore la
localisation en donnant à l’auditeur plusieurs fonctions de transfert
pour chaque source sonore.
Expérimentalement, on constate que la différence d’intensité
moyenne est pratiquement proportionnelle à la valeur de l’angle,
lorsque celui-ci est compris entre 0 et 50°. On remarque une différence
maximale d ‘intensité d’environ 7dB, dès que la source
atteint 60° et non 90°.
Le seuil minimum de discrimination angulaire audible dans l’axe est de
1 à 2°.
Comme le montre la figure ci-dessous, la précision de localisation dépend
également de l’angle d’incidence de la source.
La précision de localisation d’une source qui se déplace
autour d’un observateur décroît largement lorsqu’elle
se trouve sur le côté de la tête. La source positionnée
à 90° est localisée autour de 80° avec une incertitude
de l’ordre de 20°.
La localisation d’une source sonore est moins précise dans le plan
vertical que dans le plan horizontal. Ceci est dû à des différences
interaurales particulièrement réduites : seules interviennent
quelques asymétries du corps humain, notamment celle des pavillons.
L’incertitude de localisation atteint 15 à 20° pour une source
située au-dessus de la tête.
L’expérimentation décrite par la figure suivante met en évidence
le rôle déterminant du spectre dans la localisation devant, dessus,
ou derrière. On observe que la direction apparente est imposée
par la fréquence centrale de certaines zones spectrales. Les signaux
au voisinage de :
- 8 kHz semblent venir du haut
- 1 kHz semblent venir de l’arrière
- 3 kHz et les fréquences basses semblent venir de face.
Cette notion peut être utilisée directement en sonorisation. Un
effet d’élévation sonore peut être créé
en introduisant une accentuation vers 8 kHz.
Trois principaux indices interviennent dans la localisation en profondeur :
- 4.1 les variations d’intensité
- 4.2 le rapport du son direct au champ réverbéré
- 4.3 les variations spectrales typiques.
Lorsqu’on s’éloigne d’une source sonore, nous avons
vu (voir par ailleurs-lien) que l’intensité diminue de 6 dB à
chaque doublement de distance.
Diverses expériences ont démontré que des sources sonores
familières sont localisées avec plus de précision que des
sources inconnues et que dans les deux cas, ces distances sont toujours sous-estimées.
L’estimation de la distance dépend également du niveau d’émission
de la source.
En conséquence, si l’on désire recréer artificiellement
une impression de profondeur, une atténuation supérieure à
6 dB (jusqu’à 20 dB) est nécessaire pour donner l’illusion
d’un doublement de distance.
Nous avons vu que dans une salle, lorsqu’un auditeur s’éloigne
d’une source sonore, le rapport du son direct au son réverbéré
diminue.
Le son réverbéré est constitué de multiples réflexions
; il devient rapidement homogène en tous points de la salle. En fait,
seule l’énergie du son direct décroît de 6 dB à
chaque doublement de distance, d’où une même décroissance
du rapport champ direct / champ réverbéré.
Cette décroissance relative constitue un indice de localisation en profondeur supérieur à celui de la seule décroissance directe du son direct. En d’autres termes, le taux de réverbération semble constituer un indice " absolu " du positionnement d’une source en profondeur, alors que la simple connaissance de l’intensité ne le permet pas.
La densité spectrale
d’un signal sonore varie lors de sa propagation en fonction d’une
absorption inégale des fréquences graves et aiguës.
Des expériences ont montré notamment qu’en champ libre, des
sons dont le contenu fréquentiel est inférieur à 2 kHz
semblent plus éloignés que les sons de fréquence supérieure
La figure ci-dessous présente les résultats de l’estimation
de la distance d’une voix parlée masculine chuchotée, à
spectre essentiellement aigu, comparée à celle d’une voix
parlée normalement à large spectre. On constate que la perception
de la distance d’une voix chuchotée est sous-estimée.
On en déduit que la sensation d’une source sonore proche ou lointaine
pourra être créée artificiellement par un filtrage approprié.
