vignette|150px La psychoacoustique est la branche de la psychophysique qui étudie les rapports entre les perceptions auditives de l'être humain et les sons qui parviennent à ses oreilles. Elle fait appel à l'acoustique, qui étudie la nature et les propriétés des ondes sonores, à la physiologie de l'audition, qui examine dans quelle mesure elles se transforment en influx nerveux, à la psychologie et aux sciences cognitives. Elle emploie les méthodes de la psychologie expérimentale.
Champs d'investigation et d'application La phonétique auditive pratique des investigations psychoacoustiques par définition : le langage est le support des associations symboliques et la base de la psychologie, et le son est son moyen de transmission.
L'acoustique musicale allie la mécanique des vibrations et l'acoustique, quand il s'agit de comprendre le fonctionnement des instruments, à la psychoacoustique, lorsqu'on caractérise la réaction humaine à leurs sons.
Ces deux disciplines sont à l'origine des études psychoacoustiques, dès le , et en sont des champs d'application. Elles s'intéressent au son comme porteur d'information et à la psychologie du point de vue de l'activité symbolique.
Les études environnementales s'intéressent au son comme perturbateur, et à la dimension hédonique de la psychologie. Elles contribuent à la psychoacoustique en recherchant le déplaisir ou la gêne qu'occasionne chaque type de bruit. Le design sonore, inversement, vise à rendre attractif ou moins désagréable le son qu'émettent des produits industriels.
La technologie électroacoustique se base sur les résultats de la psychoacoustique. On ne transmet pas les composantes du signal que l'homme ne perçoit pas. Les premiers résultats ont déterminé la bande passante nécessaire, et, plus récemment, la compression de données audio utilise des modèles élaborés de l'audition. La psychoacoustique moderne est réciproquement dépendante de la technologie électroacoustique pour son appareillageL'Année psychologique annonce en 1953 . C'est une des premières occurrences publiées du terme psychoacoustique..
Évaluer la perception sonore La psychoacoustique se base sur le modèle de perception de la psychologie expérimentale : stimulus → récepteur → influx nerveux → sensation → réaction où le stimulus est un son physique et le récepteur est l'oreille. La physiologie de l'audition fournit un premier modèle de la transformation du stimulus en influx nerveux. Il reste à explorer le traitement de ce signal dans les centres nerveux de l'oreille et dans le cerveau, et les opérations cognitives qui déterminent la réaction des animaux doués d'ouïeLa psychoacoustique étudie l'être humain, mais on vérifie parfois des hypothèses physiologiques sur d'autres mammifères ..
Les études procèdent par exposition de plusieurs sujets à des stimuli bien contrôlés et reproductibles. On demande aux sujets une réaction quantifiable, qui permettra une étude statistiqueLa norme ISO 13299:2003 ..
Certaines recherches considèrent le son comme un porteur d'information ; d'autres l'envisagent comme nuisance. Cette différence d'approche aboutit à des indices quantitatifs différents à propos du même genre de caractéristiques du son.
Variabilité de la perception auditive Il est apparu rapidement que l'audition est, au moins partiellement, un phénomène cognitif : l'entraînement affine la perception auditive.
Les études psychoacoustiques montrent une variation assez considérable des performances perceptives d'une personne à l'autre, même en l'absence d'entraînement. Par exemple, les qualités auditives des filles sont meilleures que celles des garçons.. Les performances sont encore plus variables, d'individu à individu, pour la discrimination de fréquences faiblement espacées.
Elles montrent aussi qu'il existe, pour le même sujet, une dégradation avec l'âge, la fatigue auditive et les traumatismes auditifs. L'âge entraîne une presbyacousie qui se manifeste principalement par une diminution de la fréquence des sons les plus aigus encore perçus. Des accidents, des maladies, l'exposition à des niveaux sonores excessifs provoquent une hypoacousie affectant la sensibilité vers 3 à , plage de fréquences où l'oreille est la plus sensible.
Cette variabilité impose d'effectuer les essais avec des protocoles rigoureux et un nombre suffisant de sujets, qu'on choisit le plus souvent parmi ceux qui jouissent d'une audition normale ou meilleure.
Sonie et hauteur tonale
L'origine de la sensation sonore est une faible vibration de l'air, la pression acoustique, qui nous importe parce que les êtres humains en extraient des informations. Pour qu'il contienne une information, il faut que le son, cette variation de la pression atmosphérique, varie lui-même au cours du temps ; et qu'il ne varie pas de façon aléatoire, mais selon des motifs que les auditeurs puissent mémoriser et reconnaître. En outre, l'audition s'adapte en quelques instants aux sons qui parviennent à l'oreille, en une fraction de seconde par un réflexe et à partir de quelques secondes, par des processus mentaux. L'audition implique donc le temps à plusieurs niveaux différents. Il est un paramètre dans toutes les expériences et toutes les mesures. On a commencé par simplifier le problème en utilisant des stimulus stables, d'une durée assez importante, et toujours égale, ou bien des stimulus de caractère toujours égal, ne différant que par leur durée. Sons purs On a d'abord utilisé des sons purs, des ondes sinusoïdales simples qui ne comportent qu'une seule fréquenceCommission électrotechnique internationale Electropedia 801-21-05. On a exploré de cette manière la sonie, c'est-à-dire l'intensité de la sensationCommission électrotechnique internationale Electropedia 801-29-03, et la hauteur tonale, c'est-à-dire la différence que les sujets font entre sons purs de même intensité selon leur fréquence, qui correspond au classement entre sons graves et sons aigus ; voir aussi Association française de normalisation (AFNOR) Recueil des normes françaises de l'acoustique, Tome 1 (Vocabulaire), NF S 30-101, 1977 ; Commission électrotechnique internationale Electropedia 801-29-01. Si la sonie, pour deux sons purs de même fréquence, dépend uniquement de la pression acoustique, il n'en va pas de même quand la fréquence est différente. Fletcher, en demandant à des sujets de régler des sons de fréquence différente de telle sorte qu'ils paraissent avoir la même intensité, a établi les premières courbes isosoniques. Elles montrent une faible sensibilité aux sons les plus graves, aux alentours de , et une limite dans les aigus vers . Pour , .. De même, l'intensité d'un son pur fait légèrement varier la perception de sa hauteur tonale. La durée du son influe également sur l'évaluation de sa sonie et sur la discrimination de sa hauteur tonale ; ; ; ..
Les recherches psychoacoustiques se sont employées à établir des échelles de sonie. Ces échelles ont en commun le recours à une échelle logarithmique empruntée aux télécommunications, graduée en décibels. Le son perceptible le plus ténu est par convention au niveau . Les sons forts, considérés comme potentiellement traumatisants au-delà de , ont une puissance mille milliards de fois supérieure (un rapport d'intensité acoustique de 10 à 1). Le seuil de différenciation de la sonie est d'environ 25 % en puissance, correspondant à peu près à un décibelPour des bandes de bruit ; pour un son pur, le seuil de différenciation décroit avec l'intensité, de pour à pour .. Les échelles en décibels, qui comprennent ainsi essentiellement des nombres entiers positifs, sont plus expressives que l'indication des grandeurs physiques, et elles se sont fermement établies. Ces questions pratiques se sont articulées avec une théorie générale, la loi de Weber-Fechner, selon laquelle la sensation est proportionnelle au logarithme de l'intensité du stimulus. Difficile à prouver à cause de la variabilité des réponses humaines, cette théorie a été contestée, en particulier par Stevens qui préférait décrire la réponse par une loi de puissance.
La recherche psychoacoustique s'est attachée à mesurer la résolution fréquentielle du système auditif, c'est-à-dire la différence de fréquence minimale permettant de distinguer deux sons purs de même intensité. La résolution est meilleure pour les sons moyens et forts, et pour les fréquences autour de ; elle atteint alors 0,2 à 0,3 %, pour des sujets entraînés ; pour les sons musicaux, qui ne sont pas des sons purs, on a coutume de considérer que la résolution est de un savart (0,1%) ..
Les musiciens utilisent une échelle musicale où une octave correspond à un doublement de la fréquence et où la hauteur suit rigoureusement le logarithme de la fréquence ; cependant, lorsqu'on construit une échelle de la hauteur perçue en demandant aux sujets de placer un son pur par rapport à un autre, on obtient une échelle sensiblement différente. L'échelle des Mels met en relation la fréquence et la perception tonale des sons purs ; ; .. Les recherches sur la hauteur tonale sont étroitement dépendantes de l'entraînement des sujets et vraisemblablement aussi de leur culture musicale, même s'ils ne sont pas musiciens ; évoque l'expérience de Heinz Werner, qui fait écouter des sons à des sujets qui ne perçoivent la différence de hauteur qu'à la cinquième écoute.. Pour rendre compte de plusieurs anomalies dans les résultats des expériences avec les sons purs d'égale intensité, notamment de la fréquente confusion entre deux sons différant d'une octave, des chercheurs ont donc proposé de distinguer deux perceptions concourant à distinguer deux sons purs d'égale intensité : la tonie, sensation de grave et aigu ; le chroma, ou position dans l'octave, pour lequel deux sons dont le rapport des fréquences est un multiple de deux sont identiquesTerhard 1980 et Burns et Ward 1982 apud ; .. Le chroma existerait jusqu'à environ ; la note la plus aigüe du piano, le do, a sa fondamentale vers .
Ces deux composantes de la hauteur tonale pourraient avoir une base physiologiqueL'octave pourrait avoir un statut particulier dans la perception de certains primates (Wright, Rivera, Hulse, Shyan, & Neiworth, 2000) et certains oiseaux (Tchernichovski, Mitra, Lints, & Nottebohm, 2001) apud . On n'a pas établi avec certitude le mode de transduction des pressions acoustique en influx nerveux. Il est sûr que l'oreille interne réagit à chaque fréquence en des lieux différents ; l'émission d'influx nerveux a aussi une relation de phase avec l'onde sonore, et, jusqu'à environ , le cerveau pourrait être en mesure de tirer parti de cette propriété. Cette limite correspond à celle du chroma.
Sons complexes Les expériences avec les sons purs ayant permis de définir des concepts, il faut les généraliser pour des sons complexes, mélanges de sons purs harmoniques ou non auxquels peuvent s'ajouter des sons non périodiques (bruit blanc ou coloré). Les sons hors du laboratoire sont des sons complexes. La sonie et la tonie d'un son complexe sont celles d'un son pur auquel les sujets l'auront associé.
La perception des sons composés de fréquences différentes ou à spectre de fréquence large diffère notablement de celle des sons purs. On observe en particulier un effet de masque. En présence de deux sons d'intensité différente, le plus intense provoque une diminution de la sonie du plus faible, par rapport à ce qu'elle serait sans le son masquant. L'effet est maximal lorsque les sons sont proches du point de vue de leur hauteur tonale. Il existe aussi un effet de masque temporel ; .