TP : La voix, de sa création à sa reconnaissance

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1 TP : La voix, de sa création à sa reconnaissance Mots-clés : Voix, Acoustique physiologique, Reconnaissance vocale I. Comment la voix se crée-t-elle? I.1. Etude documentaire Doc 1 Le corps humain, un instrument de musique? L appareil phonatoire est considéré comme le plus ancien des instruments de musique et l oreille comme le plus ancien des récepteurs sonores. L acoustique physiologique est la science qui étudie ces deux parties du corps humain en reliant physiologie et physique. Les principes de fonctionnement de l appareil phonatoire et de l appareil auditif peuvent être aisément rapprochés du fonctionnement d appareils musicaux : l appareil phonatoire présente par exemple de nombreuses similitudes avec les instruments à vent et à cordes alors que l appareil auditif pourrait être comparé à un microphone Doc 2 Un petit peu d anatomie - Longueur moyenne d une corde vocale pour un homme : de 17 à 25 mm de long ; - Longueur moyenne d une corde vocale pour une femme : de 12,5 à 17,5 mm de long. Doc 3 La voix : une onde de pression dans l air Thème n 2 : Sons et Musique Page 7

2 Doc 4 Fonctionnement d un instrument de musique Un instrument de musique fonctionne sur la base de deux éléments fondamentaux : l excitateur et le résonateur. Le premier est l élément mis en vibration forcée par le musicien (il pince par exemple la corde de guitare, frappe la corde à piano). Une fois l excitateur mis en vibration, des ondes mécaniques périodiques se propagent dans l air. Mais ces ondes sonores naissantes, sont simples et détimbrées et encore peu audibles. C est au rôle du résonateur d atténuer ou d amplifier certaines fréquences en faisant évoluer ces ondes sonores dans des cavités résonantes de tailles et de formes variées. Le son se complexifie alors : il devient constitué d une fréquence fondamentale, associée à des fréquences harmoniques qui définissent le timbre du son. Ces sons produits, audibles, sont enfin transmis à l air ambiant. Doc 5 Fréquence fondamentale de vibration d une corde La fréquence fondamentale d une corde tendue entre deux points fixes dépend de sa tension T (en N), de sa masse linéique µ (en kg.m 1 ) et de sa longueur L (en m) selon la formule : f 1 1 2L T µ Doc 6 Enregistrements et spectres de la voix 1. Comme l indique le document 1, «l appareil phonatoire présente de nombreuses similitudes avec les instruments à vent et à cordes». En se servant des informations des documents 2 à 4, proposer un schéma synthétique modélisant le mécanisme et les organes de formation de la voix à la manière d un instrument de musique. Thème n 2 : Sons et Musique Page 8

3 2. Formuler des hypothèses sur la manière dont une même personne peut produire différents sons, en particulier comment elle peut changer la fréquence de sa voix, son timbre et son intensité sonore. Préciser les appareils de phonation concernés et la façon dont ils doivent être modifiés. 3. Pourquoi les femmes ont-elles en moyenne une voix plus aigüe que les hommes? 4. Comment les enregistrements du document 6 montrent-ils qu une voix de femme est plus pure qu une voix d homme (l un des enregistrements est celui d un homme, l autre celui d une femme)? I.2. Manipulation - Relier le microphone amplifié au module SYSAM V6 via le câble gris. - Ouvrir ensuite Latis Pro. Choisir «62 à 114 db» et cliquer sur OK. - Vérifier que l entrée «son» est cochée. - Choisir un total de 20 ms / 200 points. - Appeler le professeur pour vérifier les réglages. - Prononcer une voyelle, puis lancer l acquisition (F10). On enregistrera successivement les signaux sonores des voyelles «a», «e», «i», «o», «u» prononcées à la même hauteur. On cochera l option «ajouter les courbes». - Pour afficher le spectre : cliquer sur Traitements, Calculs spécifiques, Analyse de Fourier. Appeler le professeur pour vérifier les signaux et leurs spectres obtenus. I.3. Exploitation 5. Compléter alors le tableau ci-après : Thème n 2 : Sons et Musique Page 9

4 Voyelle «a» «e» «i» «o» «u» Allure du signal Allure du spectre Harmoniques (4 premières) fréquence de vibration des cordes vocales Les fréquences seront données à 1 Hz près. 6. Quelles parties de l appareil phonatoire sont responsables des différences entre les voyelles? II. La reconnaissance vocale II.1. Etude documentaire Doc 7 Techniques de la reconnaissance vocale La reconnaissance vocale est une technique permettant d analyser une parole et de la retranscrire sous une forme exploitable par une machine. Qu il s agisse d une application de dictée vocale sur un ordinateur ou d un serveur vocal, la reconnaissance vocale permettrait un confort et une efficacité de travail sans précédent si, toutefois, elle ne présentait pas encore quelques défauts dus notamment à la complexité du traitement de la voix humaine. Pour identifier le langage parlé, deux techniques peuvent être employées en fonction de l application utilisée : L approche globale s intéresse directement aux mots. Une image acoustique d un nombre limité de mots est enregistrée dans une base et comparée à l image acoustique du mot prononcé. L approche analytique est basée sur la reconnaissance des phonèmes et syllabes. L avantage est incomparable car tous les mots de la langue française peuvent être prononcés avec seulement 36 phonèmes. II- LES TIMBRES DE LA VOIX 7. Quelles sont les deux techniques utilisées pour la reconnaissance vocale? Décomposent-elles les phrases de la même façon? Quels peuvent être les avantages et inconvénients de chacune? Thème n 2 : Sons et Musique Page 10

5 Doc 8 Spectrogrammes Les logiciels de reconnaissance vocale utilisant l approche analytique réalisent des spectrogrammes : il s agit d une représentation tridimensionnelle de la parole : un des axes indique la composition en fréquence des sons ; le temps est représenté sur l autre axe ; le niveau sonore est matérialisé par un niveau de couleur : plus le niveau sonore est élevé, plus le spectrogramme est foncé. 8. Les spectrogrammes du document 8 ont été enregistrés par deux personnes de sexes opposés ayant prononcé les mêmes mots. Sur ces spectrogrammes, quelle grandeur est représentée en abscisse? en ordonnée? Quel est le mot prononcé sur la figure 3? sur la figure 4? Retrouver la paire de mots prononcée par l homme et celle prononcée par la femme. II.2. Etude expérimentale Avec un microphone branché sur le PC, ouvrir FREQUENCY ANALYSER. L enregistrement démarre instantanément. Prononcer un mot simple, suivi d un autre mot, puis les voyelles du 1 er mot prononcées distinctement : par exemple «cinéma» - «poulet» - «i» - «é» - «a». Le spectrogramme correspondant apparaît en direct. Cliquer sur STOP pour arrêter l enregistrement. Repérer sur le spectrogramme les voyelles du mot prononcé. 9. A quelle technique de chimie peut-on comparer la reconnaissance vocale? Thème n 2 : Sons et Musique Page 11

6 Doc 9 Voyelles et consonnes Chaque voyelle possède son propre timbre caractérisé par la présence de deux ou trois formants : chaque formant correspond à un maximum de niveau sonore obtenu pour une fréquence précise (fréquence de réso-nance des cavités buccales intervenant dans la prononciation de la voyelle). Des tables de formant existent. Le premier formant (F 1 ) est déterminé par la position de la mandibule, le deuxième (F 2 ) par celle de la langue et le troisième (F 3 ) par celle des lèvres. Il existe plusieurs types de consonnes réparties en trois groupes : les fricatives, les occlusives et les vocaliques. Lors de la prononciation d une occlusive (b, p, d, g ), le conduit phonatoire est brièvement fermé, un silence est donc visible. Le son engendré par une fricative (s, f, v ) est turbulent et riche en hautes fréquences. Les vocaliques (r, l, m, n ) ont une structure formantique. 10. Le spectrogramme du document ci-dessous est celui d un des quatre mots : «Laverie», «Samedi», «Limera», «Filera». Déterminer les fréquences des formants aux dates t = 0,3 s, t = 0,5 s et t = 0,7 s. En déduire les voyelles correspondantes. Justifier que le mot prononcé contient une consonne fricative, une consonne occlusive et une consonne vocalique. En déduire de quel mot il s agit. Proposer une «phrase» ou «expression» phonétiquement identique à ce mot mais ne signifiant pas du tout la même chose. En déduire une difficulté supplémentaire de la reconnaissance vocale. Thème n 2 : Sons et Musique Page 12

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