Résumé
Vous êtes-vous déjà demandé comment, avec seulement deux oreilles, nous sommes capables de localiser des sons provenant de tout autour de nous? Ou, lorsque vous jouez à un jeu vidéo, pourquoi il semble qu’une explosion soit venue juste derrière vous, même si vous étiez en sécurité chez vous? Nos esprits déterminent d’où vient le son en utilisant plusieurs indices. Deux de ces indices sont (1) à quelle oreille le son frappe en premier et (2) à quel point le son est fort lorsqu’il atteint chaque oreille. Par exemple, si le son frappe d’abord votre oreille droite, il provient probablement de la droite de votre corps. S’il frappe les deux oreilles en même temps, il provient probablement directement devant ou derrière vous. Les créateurs de films et de jeux vidéo utilisent ces indices pour tromper nos esprits, c’est—à-dire pour nous donner l’illusion que certains sons proviennent de directions spécifiques. Dans cet article, nous explorerons comment votre cerveau recueille des informations de vos oreilles et les utilise pour déterminer d’où vient un son.
Les éléments physiques du Son
Notre capacité à entendre est cruciale pour fournir des informations sur le monde qui nous entoure. Le son est produit lorsqu’un objet fait vibrer l’air qui l’entoure, et cette vibration peut être représentée comme une onde qui se déplace dans l’espace. Par exemple, si une branche tombe d’un arbre et frappe le sol, la pression de l’air autour de la branche change lorsqu’elle touche la terre et, par conséquent, la vibration de l’air produit un son provenant de la collision. Une chose que beaucoup de gens ne réalisent pas est que les ondes sonores ont des propriétés physiques et sont donc influencées par l’environnement dans lequel elles se produisent. Dans le vide de l’espace, par exemple, les sons ne peuvent pas se produire car, dans un vrai vide, il n’y a rien pour vibrer et provoquer une onde sonore. Les deux qualités physiques les plus importantes du son sont la fréquence et l’amplitude. La fréquence est la vitesse à laquelle une onde sonore vibre, et elle détermine la hauteur d’un bruit. Les sons de fréquence plus élevée ont une hauteur plus élevée, comme une flûte ou un gazouillis d’oiseau, tandis que les sons de fréquence plus basse ont une hauteur plus basse, comme un tuba ou un gros chien qui aboie. L’amplitude d’une onde sonore peut être considérée comme la force des vibrations lors de leur voyage dans l’air, et elle détermine le volume perçu du son. Comme vous pouvez le voir sur la figure 1, lorsque le pic de l’onde sonore est plus petit, le son sera perçu comme plus silencieux. Si le pic est plus grand, le son semblera plus fort. Il pourrait même être utile de penser à des ondes sonores comme des vagues dans un océan. Si vous vous tenez dans de l’eau immobile et que vous laissez tomber un caillou près de vos jambes, cela provoquera une petite ondulation (une petite vague) qui ne vous affecte pas beaucoup. Mais si vous vous tenez dans l’océan par temps orageux, les grandes vagues entrantes peuvent être assez fortes pour vous renverser! Tout comme la taille et la force des vagues d’eau, la taille et la force des ondes sonores peuvent avoir un grand effet sur ce que vous entendez.
- Figure 1 – Amplitude et fréquence représentées sous forme d’ondes.
- (A) L’amplitude est la force des vibrations lorsqu’elles se déplacent dans l’air; plus l’amplitude est grande, plus le son est perçu par l’observateur. (B) La fréquence est la vitesse à laquelle une onde sonore vibre, qui détermine la hauteur perçue du bruit; plus la fréquence est grande, plus la hauteur du son est élevée.
Les ondes sonores interagissent de manière fascinante avec l’environnement qui nous entoure. Avez-vous déjà remarqué à quel point la sirène d’une ambulance sonne différemment lorsqu’elle est au loin par rapport au moment où l’ambulance s’approche et vous dépasse? En effet, il faut du temps pour que le son se déplace d’un point à un autre, et le mouvement de la source sonore interagit avec la fréquence des ondes lorsqu’elles atteignent la personne qui l’entend. Lorsque l’ambulance est éloignée, la fréquence de la sirène est faible, mais la fréquence augmente à mesure que l’ambulance s’approche de vous, ce qui est un phénomène connu sous le nom d’effet Doppler (voir Figure 2).
- Figure 2 – Comment les fréquences des ondes sonores sont affectées (et perçues) lorsqu’une sirène s’approche ou s’éloigne d’un individu.
- Lorsque l’ambulance s’approche d’un individu, la fréquence du son augmente et est donc perçue comme ayant une hauteur plus élevée. Au fur et à mesure que l’ambulance s’éloigne d’un individu, la fréquence diminue, ce qui fait que le son est perçu comme ayant une hauteur plus basse.
Le son n’est pas seulement affecté par la distance, mais aussi par d’autres objets. Pensez à une époque où quelqu’un vous appelait d’une autre pièce. Vous avez probablement remarqué qu’il était plus difficile de les entendre d’une autre pièce que lorsqu’il était juste à côté de vous. La distance entre vous n’est pas la seule raison pour laquelle une personne est plus difficile à entendre lorsqu’elle se trouve dans une autre pièce. La personne est également plus difficile à entendre parce que les ondes sonores sont absorbées par des objets dans l’environnement; plus la personne qui vous appelle est éloignée, plus il y a d’objets entre vous deux, donc moins d’ondes sonores finissent par atteindre vos oreilles. En conséquence, les sons peuvent sembler silencieux et étouffés, même lorsque la personne crie fort.
Structure de l’oreille
Nos oreilles sont des structures anatomiques complexes qui sont séparées en trois parties principales, appelées oreille externe, oreille moyenne et oreille interne. L’oreille externe est la seule partie visible de l’oreille et est principalement utilisée pour canaliser le son de l’environnement dans le conduit auditif. De là, le son se déplace dans l’oreille moyenne, où il fait vibrer le tympan et trois petits os, appelés osselets, qui transmettent l’énergie sonore à l’oreille interne. L’énergie continue de voyager vers l’oreille interne, où elle est reçue par la cochlée. La cochlée est une structure à l’intérieur de l’oreille qui a la forme d’une coquille d’escargot et qui contient l’organe de Corti, où sont présentes des « cellules ciliées » sensorielles capables de détecter l’énergie sonore. Lorsque la cochlée reçoit le son, elle amplifie le signal détecté par ces cellules ciliées et transmet le signal par le nerf auditif au cerveau.
Le son et le cerveau
Alors que les oreilles sont responsables de recevoir le son de l’environnement, c’est le cerveau qui perçoit et donne un sens à ces sons. Le cortex auditif du cerveau est situé dans une région appelée lobe temporal et est spécialisé dans le traitement et l’interprétation des sons (voir Figure 3). Le cortex auditif permet aux humains de traiter et de comprendre la parole, ainsi que d’autres sons dans l’environnement. Que se passerait-il si les signaux du nerf auditif n’atteignaient jamais le cortex auditif? Lorsque le cortex auditif d’une personne est endommagé en raison d’une lésion cérébrale, la personne devient parfois incapable de comprendre les bruits; par exemple, elle peut ne pas comprendre le sens des mots prononcés, ou elle peut être incapable de distinguer deux instruments de musique différents. Étant donné que de nombreuses autres zones du cerveau sont également actives lors de la perception du son, les personnes atteintes du cortex auditif peuvent souvent encore réagir au son. Dans ces cas, même si le cerveau traite le son, il est incapable de donner un sens à ces signaux.
- Figure 3 – Diagramme d’une source sonore traversant le conduit auditif et se transformant en signaux neuronaux qui atteignent le cortex auditif.
- Le son est dirigé dans le conduit auditif par l’oreille externe et est ensuite transformé en signaux neuronaux par la cochlée. Ce signal est ensuite transmis au cortex auditif, où un sens est attribué au son.
Entendre du son d’Ici ou de Là-Bas ?
Une fonction importante des oreilles humaines, ainsi que des oreilles d’autres animaux, est leur capacité à canaliser les sons de l’environnement dans le conduit auditif. Bien que les entonnoirs de l’oreille externe sonnent dans l’oreille, cela n’est plus efficace que lorsque le son provient du côté de la tête (plutôt que directement devant ou derrière). Lorsqu’ils entendent un son provenant d’une source inconnue, les humains tournent généralement la tête pour pointer leur oreille vers l’endroit où le son pourrait se trouver. Les gens le font souvent sans même s’en rendre compte, comme lorsque vous êtes dans une voiture et que vous entendez une ambulance, puis bougez la tête pour essayer de localiser d’où vient la sirène. Certains animaux, comme les chiens, sont plus efficaces que les humains pour localiser le son. Parfois, les animaux (comme certains chiens et de nombreux chats) peuvent même bouger physiquement leurs oreilles dans la direction du son!
Les humains utilisent deux indices importants pour aider à déterminer d’où vient un son. Ces indices sont: (1) quelle oreille le son frappe en premier (connu sous le nom de différences de temps interaurales), et (2) à quel point le son est fort lorsqu’il atteint chaque oreille (connu sous le nom de différences d’intensité interaurales). Si un chien aboyait du côté droit de votre corps, vous n’auriez aucun problème à tourner et à regarder dans cette direction. En effet, les ondes sonores produites par les aboiements frappent votre oreille droite avant de frapper votre oreille gauche, ce qui fait que le son est plus fort dans votre oreille droite. Pourquoi le son est-il plus fort dans votre oreille droite lorsque le son vient de la droite? Parce que, comme les objets de votre maison qui bloquent ou absorbent le son de quelqu’un qui vous appelle, votre propre tête est un objet solide qui bloque les ondes sonores se dirigeant vers vous. Lorsque le son vient du côté droit, votre tête bloque certaines des ondes sonores avant qu’elles ne touchent votre oreille gauche. Il en résulte que le son est perçu comme plus fort de la droite, signalant ainsi que c’est de là que vient le son.
Vous pouvez explorer cela grâce à une activité amusante. Fermez les yeux et demandez à un parent ou à un ami de faire tinter un jeu de clés quelque part autour de votre tête. Faites-le plusieurs fois et, à chaque fois, essayez de pointer l’emplacement des clés, puis ouvrez les yeux et voyez à quel point vous étiez précis. Les chances sont, c’est facile pour vous. Maintenant, couvrez une oreille et réessayez. Avec une seule oreille disponible, vous constaterez peut-être que la tâche est plus difficile ou que vous êtes moins précis pour pointer vers le bon endroit. En effet, vous avez étouffé l’une de vos oreilles, et donc affaibli votre capacité à utiliser des signaux sur le moment ou l’intensité des sons atteignant chaque oreille.
Audio immersif dans les jeux et les films
Lorsque les ingénieurs du son créent un son tridimensionnel (audio 3D), ils doivent prendre en compte tous les indices qui nous aident à localiser le son, et ils doivent utiliser ces indices pour nous inciter à percevoir le son comme provenant d’un endroit particulier. Même si avec l’audio 3D, il existe un nombre limité de sources sonores physiques transmettant via des écouteurs et des haut-parleurs (par exemple, seulement deux avec des écouteurs), l’audio peut sembler provenir de beaucoup plus d’endroits. Les ingénieurs du son 3D peuvent accomplir cet exploit en tenant compte de la façon dont les ondes sonores vous atteignent, en fonction de la forme de votre tête et de l’emplacement de vos oreilles. Par exemple, si un ingénieur du son veut créer un son qui semble provenir de devant vous et légèrement vers la droite, l’ingénieur concevra soigneusement le son pour commencer à jouer dans le casque droit et être légèrement plus fort dans ce casque par rapport à la gauche.
Les jeux vidéo et les films deviennent plus immersifs et réalistes lorsqu’ils sont associés à ces astuces de l’audio 3D. Lorsque vous regardez un film, par exemple, des ensembles de haut-parleurs dans la salle de cinéma peuvent concentrer la direction sonore pour permettre une correspondance entre ce que vous voyez et ce que vous entendez. Par exemple, imaginez que vous regardez un film et qu’une actrice a une conversation téléphonique sur le côté droit de l’écran. Son discours commence à jouer principalement à travers les haut-parleurs de droite, mais au fur et à mesure qu’elle se déplace sur l’écran de droite à gauche, le son la suit progressivement et en douceur. Cet effet est le résultat de nombreux haut-parleurs travaillant en synchronie étroite, pour rendre l’effet audio 3D possible.
La réalité virtuelle (VR) élève cette expérience immersive à un niveau supérieur en modifiant la direction du son en fonction de l’endroit où vous regardez ou où vous vous positionnez dans l’espace virtuel. En réalité virtuelle, par définition, vous êtes virtuellement placé dans une scène, et les expériences visuelles et auditives doivent refléter votre expérience du monde réel. Dans une simulation VR réussie, la direction des mouvements de votre tête et l’endroit où vous regardez déterminent d’où vous percevez l’audio comme provenant. Regardez directement un vaisseau spatial et le son de ses moteurs vient tout droit devant vous, mais tournez à gauche et maintenant le son vous vient de la droite. Déplacez-vous derrière un gros objet et maintenant les ondes sonores virtuelles frappent directement l’objet et vous frappent indirectement, amortissant le son et le rendant plus silencieux et plus silencieux.
Conclusion
Des chercheurs et des professionnels de l’industrie du cinéma et du jeu vidéo ont utilisé des sons simulés pour en apprendre davantage sur l’audition et améliorer nos expériences de divertissement. Certains scientifiques se concentrent sur la façon dont le cerveau traite les sons, tandis que d’autres analysent les propriétés physiques des ondes sonores elles-mêmes, telles que la façon dont elles rebondissent ou sont perturbées. Certains étudient même comment les autres animaux entendent et comparent leurs capacités aux nôtres. À leur tour, les professionnels des industries du cinéma et du jeu vidéo ont utilisé ces recherches pour rendre l’expérience des cinéphiles et des joueurs plus immersive. Dans les environnements virtuels, les concepteurs peuvent faire en sorte que les ondes sonores virtuelles se comportent comme les ondes sonores dans la vie réelle. Lorsque vous jouez à un jeu vidéo ou regardez un film, il est facile de tenir pour acquis la recherche et le temps consacrés à la création de cette expérience. Peut-être que la prochaine avancée dans la technologie du son immersif commencera avec vous et votre propre curiosité pour les ondes sonores et le fonctionnement du système auditif!
Glossaire
Amplitude: La taille de l’onde sonore; l’attribut d’un son qui influence le volume perçu de ce son.
Hauteur : La qualité du son ressentie en fonction de la fréquence ou de la vitesse des vibrations; le degré perçu d’altesse ou d’humilité d’un ton ou d’un son.
Effet Doppler : Augmentation ou diminution de la fréquence d’une onde sonore lorsque la source du bruit et l’observateur se rapprochent ou s’éloignent l’un de l’autre.
Cochlée: Un tube (principalement) creux dans l’oreille interne qui est généralement enroulé comme une coquille d’escargot et qui contient les organes sensoriels de l’ouïe.
Cortex auditif: Zone du cerveau située dans le lobe temporal qui traite les informations reçues par l’audition.
Décalage Horaire Interaural: La différence dans l’heure d’arrivée du son reçu par les deux oreilles.
Différence d’intensité interaurale : Différence de volume et de fréquence d’un son reçu par les deux oreilles.
Audio tridimensionnel: Groupe d’effets sonores utilisés pour manipuler ce qui est produit par des haut-parleurs stéréo ou des écouteurs, impliquant le placement perçu de sources sonores n’importe où dans un espace tridimensionnel.
Déclaration de conflit d’intérêts
Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.