Les chercheurs en acoustique décomposent le son avec précision en ses trois composants de base

Aug 22, 2023

13 juillet 2023

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par l'Université Aalto

Les chercheurs recherchent depuis plus de 200 ans des moyens de décomposer le son en ses ingrédients de base. Dans les années 1820, le scientifique français Joseph Fourier a proposé que n'importe quel signal, y compris les sons, puisse être construit en utilisant un nombre suffisant d'ondes sinusoïdales. Ces ondes sonnent comme des sifflets, chacune ayant sa propre fréquence, son niveau et son heure de début, et constituent les éléments de base du son.

Cependant, certains sons, tels que la flûte et une voix humaine haletante, peuvent nécessiter des centaines, voire des milliers de sinus pour imiter exactement la forme d'onde originale. Cela vient du fait que ces sons contiennent une structure moins harmonique et plus bruyante, où toutes les fréquences apparaissent en même temps. Une solution consiste à diviser le son en deux types de composantes, les sinus et le bruit, avec un plus petit nombre d'ondes sinusoïdales sifflantes et combinées avec des bruits variables, ou sifflements, pour compléter l'imitation.

Même ce modèle sonore « complet » à deux composants présente des problèmes de lissage des débuts d’événements sonores, tels que les consonnes dans la voix ou les sons de batterie dans la musique. Un troisième composant, appelé transitoire, a été introduit vers l'an 2000 pour aider à modéliser la netteté de ces sons. Les transitoires seuls ressemblent à des clics. Depuis lors, le son a souvent été divisé en trois composantes : les sinus, le bruit et les transitoires.

Le modèle à trois composantes des sinus, du bruit et des transitoires a été affiné par des chercheurs du laboratoire d'acoustique de l'université Aalto, en utilisant des idées issues de la perception auditive, de la logique floue et de la reconstruction parfaite. Leurs recherches sont publiées dans le Journal of the Audio Engineering Society.

Le doctorant Leonardo Fierro et le professeur Vesa Välimäki ont réalisé que la manière dont les gens entendent les différents composants et séparent les sifflements, les clics et les sifflements est importante. Si un clic se propage dans le temps, il commence à sonner et à paraître plus bruyant ; en revanche, se concentrer sur des sons très brefs peut entraîner une certaine perte de tonalité.

Cette connaissance de la perception auditive s'est doublée d'une logique floue : à tout moment, une partie du son peut appartenir à chacune des trois classes de sinus, de transitoires ou de bruit, et non à une seule d'entre elles. Dans le but d’une reconstruction parfaite, Fierro a optimisé la façon dont le son est décomposé.

Dans la méthode améliorée, les sinus et les transitoires sont deux caractéristiques opposées du son, et le son ne peut pas appartenir aux deux classes en même temps. Cependant, l’un ou l’autre des deux types de composants opposés peut toujours se produire simultanément avec le bruit. Ainsi, l’idée de logique floue est présente de manière restreinte. Le bruit fonctionne comme un lien flou entre les sinus et les transitoires, décrivant toutes les nuances du son qui ne sont pas capturées par de simples clics et sifflements. "C'est comme trouver la pièce manquante d'un puzzle pour relier ces deux parties qui ne s'assemblaient pas auparavant", explique Fierro.

Cette méthode de décomposition améliorée a été comparée aux méthodes précédentes lors d’un test d’écoute. Onze auditeurs expérimentés ont été invités individuellement à auditer plusieurs extraits musicaux courts et les composants qui en étaient extraits en utilisant différentes méthodes.

La nouvelle méthode s'est révélée être la méthode gagnante pour décomposer la plupart des sons, sur la base des notes des auditeurs. Ce n'est que lorsqu'il y a un fort vibrato dans un son musical, comme dans une voix chantée ou un violon, que toutes les méthodes de décomposition ont du mal, et dans ces cas, certaines méthodes précédentes sont supérieures.

Un cas d’utilisation test de la nouvelle méthode de décomposition est la modification temporelle du son, en particulier le ralentissement de la musique. Cela a été testé lors d'un test d'écoute préférentielle par rapport à la méthode précédente du laboratoire, qui a été sélectionnée comme la meilleure technique académique dans une étude comparative il y a quelques années. Encore une fois, la nouvelle méthode de Fierro s’est avérée clairement gagnante.