Acquisition d’un son & reconnaissance vocale, Exercices de Chimie

Télécharge Acquisition d’un son & reconnaissance vocale et plus Exercices au format PDF de Chimie sur Docsity uniquement! Séance de Spécialité no 3 Acquisition d’un son & reconnaissance vocale Mots-clefs « reconnaissance vocale », « voix », « gammes » et « harmonies ». 1 Activité documentaire : la synthèse spectrale (15 minutes) 1.1 Synthèse sonore • Lire la vidéo « Initiation à l’acoustique » d’Antonio Fischetti, chapitre 5 « Spectre : synthèse sonore ». F F+H1 F+H1+H2 a. Noter le nom des différentes composantes formant le signal. b. Le son entendu correspond à la vibration totale ; que penser de la forme de la vibration totale, au fur et à mesure de l’addition d’harmoniques ? c . Comment varie la période du signal correspondant à la vibration totale au fur et à mesure de l’addition d’harmoniques ? d. Cette synthèse sonore est à la base d’un instrument de musique désormais très courant. Quel est-il ? 1.2 Analyse sonore • Lire la vidéo « Initiation à l’acoustique » d’Antonio Fischetti, chapitre 6 « Spectre : sonogrammes ». e . Écouter les différents sons de flûte proposés. Quel son parmi tous ceux qui sont joués, ressemble le plus à un son de flûte ? f . Indiquez les grandeurs qui sont utilisées en abscisse et en ordonnée sur les courbes présentées. Quel nom donne-t-on à ces courbes ? 2 Activité documentaire : Notes & gammes (45 minutes) 2.1 Le LA, une note arbitrairement fixée En musique, seules quelques fréquences sont utilisées. Une note de base a été fixée arbitrairement, le LA, donné par un diapason. Le LA dit LA3 correspond actuellement à une fréquence de 440 Hz. LA3 ↔ 440 Hz 2.2 L’octave Les notes suivantes se ressemblent tellement, qu’on leur a donné le même nom LA : Notes LA1 LA2 LA3 LA4 LA5 LA6 LA7 f (Hz) 110 220 440 880 1 760 3 520 7 040 Le fait qu’elles se ressemblent s’explique par le facteur 2 entre chaque fréquence ; l’oreille étant uniquement sen- sible aux rapports de fréquence, on a l’impression qu’il y a chaque fois la même différence entre deux notes consé- cutives. C’est l’octave. On définit l’intervalle entre deux sons par le rapport de la fréquence du son le plus aigu par celle du son le plus grave ; donc : Octave ↔ Intervalle 2 Le mot octave provient du fait que notre gamme comporte sept notes, donc huit avec les deux extrêmes. Sachez aussi qu’en musique, certaines notes donnent une impression agréable lorsqu’elles sont jouées ensemble, comme les quintes et les tierces ; elles correspondent aussi à des rapports de fréquences fixes, respectivement 1,5 et 1,25. 2.3 Lien avec les harmoniques Imaginons un instrument jouant un LA3. À priori, il émet une vibration de fréquence fondamentale f1 = 440 Hz, plus des harmoniques de fréquences multiples du fonda- mental, 2f1, 3f1, 4f1, 5f1, etc. • Les harmoniques paires 2f1, 4f1, 8f1... seront aussi des LAs, d’octaves supérieures. • Les harmoniques impaires, comme 3f1 et 5f1 par exemple, ne seront pas des LAs, mais d’autres notes, dans d’autres octaves. Il est tentant de donner des noms Séance 3 P.-M. Chaurand Page 1 sur 7 de notes à ces fréquences ; seulement, cela revient à créer un très grand nombre de notes, car pour chaque note d’une même octave, il y a un très grand nombre d’har- moniques. On préfère se limiter à un total de sept notes, agrémentées de dièses et de bémols, sans se soucier si de telles notes correspondent ou pas à une harmonique exactement créée par un instrument : c’est la gamme tempérée. 2.4 La gamme tempérée On sépare une octave (intervalle 2) en douze parties égales. On parle de douze demi-tons. Entre chaque demi-ton, le rapport de fréquence sera de : 12 √ 2 = (2) 1 12 ' 1, 059463 Multiplier onze fois ce facteur par lui-même revient bien à obtenir 2 (mener le calcul avec votre calculatrice !). N’ou- bliez pas que, comme indiqué précédemment, l’oreille n’est sensible qu’à des rapports de fréquences ; c’est la raison pour laquelle l’écart entre chaque demi-ton doit correspondre à un écart de fréquence. Demi-ton ↔ Intervalle 12 √ 2 Tous les deux demi-tons (donc tous les tons), on place une note, en commençant par le DO. Il faudrait quatorze demi-tons au lieu de douze pour placer les sept notes ainsi que le DO de l’octave suivante ; on place alors seulement un demi-ton d’écart entre le MI et le FA, et entre le SI et le DO : DO RE MI FA SOL LA SI DO La figure ci-dessus permettrait de constituer une échelle de fréquences, afin d’accorder les touches blanches d’un piano. Pour les touches noires, qui correspondent aux dièses (symbole #) et aux bémols (symbole b) : DO# REb RE# MIbFAb FA# SOLb SOL# LAb LA# SIb DOb Pour trouver les valeurs des fréquences des notes, il suffit de partir de la fréquence fondamentale 440 Hz puis de multiplier ou de diviser à chaque fois par 12 √ 2 pour trou- ver la note suivante, son dièse ou son bémol — selon les cas : Notes DO RE MI FA SOL LA SI DO f (Hz) 262 294 330 349 392 440 494 523 Le travail qui vous sera demandé consistera en générale- ment essentiellement à retrouver une fréquence dans ce tableau, par le calcul ! Un défaut de la gamme tempérée est que l’on ne pourra pas jouer exactement les notes permettant de former une quinte, si agréable à l’oreille ; cependant, la différence est quasiment inaudible. Pour les sept notes, les musiciens parlent de sept degrés diatoniques, et pour les douze intervalles, de douze degrés chromatiques. 2.5 Les accords Remarque : toutes les notions d’ordres musicales ou his- toriques qui suivent seront systématiquement rappelées en cas d’étude de documents. Par définition, un accord est un ensemble d’au moins trois degrés différents, c’est-à-dire un ensemble identifiable de notes simultanées. L’harmonie tonale connaît des accords de trois notes (ou accords de quinte), de quatre notes (ou accords de septième) et de cinq notes (ou accords de neuvième). Les accords de plus de cinq notes ne sont pas pris en considération par l’harmonie classique. Une combinaison de deux notes émises simultanément est plutôt considérée comme un intervalle harmonique. Un accord est donc une superposition de plusieurs intervalles harmoniques. Il existe deux modèles aboutissant à la construction des accords, un modèle géométrique et un modèle acoustique. Géométrique Le premier modèle géométrique fut développé par Pythagore. Pythagore note que le rapport géométrique le plus simple après l’octave (2), la quinte (3/2) est parfaitement har- monique et, superposé, donne 12 notes également étagées, retournant presque à la note de départ. Il construit ainsi le cycle des quintes. Zarlino note ensuite que les rapports mathéma- tiques simples donnent des intervalles agréables, les rapports plus compliqués des intervalles moins naturels. Ainsi, le rapport 2/1 produit l’octave, le rapport 3/2 la quinte, 4/3 la quarte, 5/4 la tierce majeure, 6/5 la tierce mineure et 9/8 la seconde majeure, et bien d’autres encore. Pour Zarlino, un accord parfait est donc la superposition de deux intervalles simples (5/4 et 6/5), aboutissant à un intervalle plus simple (3/2), ce qui fonctionne aussi bien pour l’accord majeur que pour l’accord mineur. Acoustique Un son génère dans l’aigu un certain nombre de sons secondaires, appelés sons harmo- niques, dont la fréquence est un multiple de celle du son générateur (ou son fondamental). Par exemple, dans les accords « do, mi, sol », « do, mi, sol, do », « mi, sol, do », « mi, sol, do, sol » ou « sol, do, mi », do est la fondamentale, mi, la tierce, et sol, la quinte. Séance 3 P.-M. Chaurand Page 2 sur 7 importants sont présents dans tous les spectres de voix. Document 4 – Spectrogramme Un spectrogramme est la représen- tation visuelle d’un son, comme par exemple le phonème [ε] ci- contre. Il représente la fréquence en fonction du temps et l’inten- sité sonore associée à chaque fré- quence est représentée par un code couleur. Sur un spectrogramme, les formants sont repérés par des zones nettement colorées. Le nombre d’organes qui interviennent dans la voix va- rie selon le type de signal émis : parole, cri ou chant. Les organes les plus mobilisés sont le larynx et ses deux cordes vocales, la gorge, le nez, la langue, la bouche et les lèvres. Le spectre des fréquences de la parole dépasse rarement quatre octaves et s’étend entre 300 Hz et 8 kHz. Certains types de chants atteignent des fréquences de 10 000 Hz. Voici un spectrogramme présentant l’analyse du mot « sweet » parlé et chanté dans différents styles. Sur un spectrogramme, les voyelles correspondent à des intensités acoustiques plus fortes en basses fréquences que les consonnes. Le principe de la reconnaissance vocale repose sur la comparaison des rythmes, des amplitudes et des fréquences entre un enregistrement et les mots d’un locuteur. En conclusion, la reconnaissance vocale a deux objectifs : — la reconnaissance de mots-clés prononcés par une personne dans un menu proposé par un répondeur téléphonique ; — la reconnaissance d’une personne et la réception d’un ordre en vue de commander une machine. Document 5 – Le logiciel Vocalab Se munir d’écouteurs, les brancher sur la prise jack 3,5 mm verte du PC, et visualiser la vidéo You- Tube de démonstration du logi- ciel Vocalab. Si vous disposez d’un smartphone, flashez le QR-Code ci-contre. https ://www.youtube.com/watch ?v=czF8WISSifo n. Analyse des spectrogrammes : sur quelles gammes de fréquences s’étendent les sons enregistrés ? Sur combien d’octaves ? o. Le téléphone limite les signaux transmis entre les fréquences 300 Hz et 3,4 kHz. Pourquoi ? p. Sur le spectrogramme « sweet », quelles sont les propriétés communes aux différents styles de chant ? 4 Activité expérimentale : acquisition & traitement d’un son (15 minutes) 4.1 Enregistrement avec Audacity • Brancher le micro sur la borne à l’avant de l’unité centrale (prise jack micro) ou utiliser le micro-casque. • Enregistrer le phonèmme [ε], suffisamment fort, pen- dant 2 à 3 secondes environ, et réaliser son spectre. 4.2 Utilisation de sons pré-enregistrés • On dispose de fichiers sons dans un dossier « Fichiers sons » de la clef USB. Lire ces sons avec Audacity, en écoutant au casque. • Réaliser le spectre de ces sons. q. Sur le spectre du phonème [ε], repérer les fréquences des cinq premiers formants. Que remarque-t-on ? r . À quel paramètre du son du phonème correspond la fréquence du premier formant ? s . Comparer les spectrogrammes des phonèmes [ε] pro- noncés par une voix féminine et une voix masculine. Quelles sont les différences ? Séance 3 P.-M. Chaurand Page 5 sur 7 5 Correction des exercices de la séance no 2 (début) 2.1 No 5 p. 104 – Visualiser un son 1. Image : http ://sirius.ucsc.edu/demoweb/images/waves/sound/ForkOsc.jpg 2. f = 440 Hz pour le LA d’un diapason, donc une période de : T = 1 f = 1 440 = 2,27×10−3 s donc 2,27 ms. La base de temps étant de 0,4 ms par division, une période s’étale sur 2, 27/0, 4 = 5, 675 divisions. Sur 10 divisions, on observe un peu moins de deux périodes. 6 Exercices de la séance no 4 3.1 No 7 p. 76 – La gamme de Pythagore 3.2 La restitution des sons L’enceinte acoustique ou le casque audio constituent le dernier maillon d’une chaîne haute fidélité (Hi-fi) ou d’un baladeur (iPod). Quels sont les critères de qualité d’un système de restitution sonore ? Document 1 – L’utilité de l’enceinte acoustique Une enceinte acoustique maintient les haut-parleurs et leur permet de transmettre efficacement à l’air les vibra- tions de leurs membranes. Quand un haut-parleur est utilisé seul, sa membrane fait à la fois vibrer l’air devant elle, mais aussi l’air derrière elle. En effet, Iorsqu’elle avance, la pression augmente devant elle et diminue derrière. Inversement, la pression diminue devant et augmente derrière lorsqu’elle recule. Cela crée deux ondes sonores, une émise vers l’avant et une autre émise vers l’arrière. Du fait de leur mode de production, ces deux ondes sont en opposition de phase. Si elles se rencontrent et se superposent, elles peuvent s’annuler. Cela se produit surtout pour les basses fréquences. Pour éviter ce phénomène, il faut supprimer les ondes arrière. Cela peut être réalisé en fixant le haut-parleur sur un « support infini » constitué d’une plaque de grande dimension. Un tel support permet de séparer les ondes avant et arrière et empêche leur superposition. Une autre solution consiste à renvoyer les ondes arrière vers l’avant tout en les déphasant de 180o. C’est le sys- tème bass-reflex. Il empêche l’annulation qui pourrait se produire lorsque ces ondes arrière, renvoyées vers l’avant, se superposent aux ondes avant. Wikipédia. Document 2 – Tester des enceintes acoustiques « Si l’électronique envoie un signal « propre », encore faut-il que l’acoustique le restitue avec un minimum de dégradation. Qualité des haut-parleurs, des filtres, choix des matériaux, des formes et des volumes, autant de para- mètres qui nécessitent un gros zeste de savoir-faire pour obtenir le bon son. Pour le noter, nous faisons appel à une batterie de tests réalisés en « chambre sourde », afin d’absorber les réflexions sonores. Les principaux tests discriminants sont : Vibration du coffret Les haut-parleurs font vibrer la "caisse" de l’enceinte acoustique. À certaines fréquences, à une certaine puissance, ce phéno- Séance 3 P.-M. Chaurand Page 6 sur 7 mène devient franchement dérangeant. À l’aide d’un accéléromètre, nous relevons le niveau de cette vibration à différentes fréquences. Pureté des graves C’est la mesure des déforma- tions générées par des harmoniques sur trois fré- quences fondamentales du grave, 40, 50 et 60 Hz. Facilement audibles, elles deviennent vite très désa- gréables et perturbantes pour l’écoute. Rendement C’est le niveau sonore — mesuré par un micro situé à 1 mètre — qu’une enceinte est capable de restituer Iorsqu’on lui envoie une puis- sance de 1 watt. C’est un paramètre essentiel pour optimiser le cou- plage ampli-enceintes au niveau de la puissance : pas d’enceinte de rendement très faible sur un am- pli de faible puissance ! La valeur de ce rendement résulte des choix techniques des concepteurs de l’enceinte, mais n’a pas de relation systématique avec sa qualité. Directivité On relève la dégradation de la courbe de réponse sur le plan horizontal à 30o et 45o de l’axe du "tweeter". Avec des enceintes à faible dé- perdition latérale, la zone d’écoute stéréo et Home Cinema sera plus vaste et plus confortable. » Dossier Fnac 2011. Document 3 – Améliorer l’écoute de son bala- deur : les casques audio « Tout comme les enceintes acoustiques pour la haute fidélité, le casque est l’élément essentiel de la qualité d’écoute. Or, pour « tirer » les prix des baladeurs vers le bas, ou augmenter leurs profits, la plupart des fabricants choisissent d’équiper leurs baladeurs avec des casques tout à fait médiocres. Le remplacer par un bon casque transformera radicalement le son d’un baladeur moyen, tout comme celui du meilleur, car, en fait, le rôle du casque est beaucoup plus important pour la musicalité que la qualité électronique du baladeur. Pour le choisir, il y a bien sûr des critères subjectifs comme l’esthétique ou la mode, des critères de confort, essentiels pour le supporter longtemps et la bonne tenue sur les oreilles. Les clips Ils sont de type oreillette traditionnelle, in- ter ou supra-auriculaires. Ils sont maintenus grâce à un contour d’oreille qui garantit une parfaite stabilité du casque, au prix parfois d’un inconfort après plusieurs heures d’utilisation. Les intra-auriculaires Ils sont discrets et souvent de bien meilleure qualité que les écouteurs tra- ditionnellement proposés avec les baladeurs. Ces écouteurs pénètrent plus ou moins profondément dans le conduit auditif. Ils isolent ainsi mieux l’oreille des bruits ambiants et offrent une qua- lité sonore comparable aux casques hi-fi. Les casques à arceau Ils sont de deux types, les casques supra-auriculaires et les casques circum- auriculaires. Les casques supra-auriculaires se placent sur l’oreille et sont reliés entre eux par un arceau, qui entoure le sommet du crâne ou ceinture la nuque. Parfois pliables, ils sont alors destinés à un usage en extérieur. Leur capacité d’isolation et leur qualité sonore sont meilleures que celles des oreillettes « simples », mais moindres que celles des casques hi-fi. Les casques circum-auriculaires se placent autour de l’oreille. lls sont plus volumineux que les casques supra-auriculaires, leurs qualités sonores et d’iso- lation sont optimales, à un tel point que les bruits de la ville sont totalement étouffés ; attention aux risques urbains. Les casques n’offrent pas une restitution linéaire, selon la technologie employée ils favorisent certaines fréquences, tantôt les graves, les médiums ou les aigus. [...] Leur courbe de réponse vous permet de faire votre choix se- lon vos propres critères et le type de musique que vous écoutez. » Dossier Fnac 2011. En s’appuyant sur les documents 1, 2 et 3 donnés, répondre aux questions suivantes : 1. Par quel phénomène les ondes avant et arrières émises par un haut-parleur peuvent-elles s’annuler ? Quelles solutions techniques sont mises en œuvre pour éviter ce phénomène ? 2. Que permettent les tests réalisés sur des produits tech- niques comme les enceintes acoustiques ? 3. Conclusion : Quels sont les critères de qualité d’une enceinte acoustique et d’un casque audio ? Séance 3 P.-M. Chaurand Page 7 sur 7