Perception de l’intensité, de la hauteur et du timbre des sons

Pour caractériser physiquement un son pur, il suffit de préciser trois paramètres de l'onde de pression associée : l'amplitude de celle-ci (dont dépendent sa puissance acoustique surfacique et son niveau en décibels), sa fréquence ou sa période et, enfin, sa phase, dans le référentiel temporel choisi. Un son périodique nécessite une description un peu plus complexe dans le domaine temporel, mais l'analyse de Fourier permet aisément de décomposer, de manière unique, l'onde de pression en une somme de composantes harmoniques, dont les fréquences sont toutes multiples de la fréquence fondamentale ; l'amplitude et la phase de chacune d'elles permettent de caractériser, complètement et de manière unique, le son considéré. Enfin, il est possible de généraliser la méthode de décomposition par transformée de Fourier, à un son complexe quelconque, en obtenant des composantes qui ne sont plus nécessairement à des fréquences discrètes, ni multiples d'une fondamentale donnée.

Cette analyse de type spectral a depuis longtemps semblé pertinente lorsque l'on s'intéresse à la perception des sons par l'intermédiaire du système nerveux auditif. En effet, avant de mener à bien l'étape de transduction qui permet au nerf auditif de véhiculer des influx nerveux organisés en fonction de la structure physique du son excitateur, la cochlée effectue une analyse des sons qui aboutit à trier les excitations mécaniques selon un principe de tonotopie : les composantes du son à différentes fréquences font entrer en résonance, selon des mécanismes complexes, des sections différentes de la membrane basilaire le long de laquelle sont réparties les cellules sensorielles. La tonotopie, qui fournit une sorte de spectre du signal sonore parvenu à la cochlée, est ensuite respectée tout au long des voies auditives jusqu'au cortex.

Pour un son pur, l'intuition permet aisément de relier les sensations associées à la perception et les grandeurs physiques qui leur ont donné naissance : la sensation de force sonore, encore appelée sonie ou sonorie (qui fait dire qu'un son est plus ou moins fort) semble naturellement liée à l'amplitude, à la puissance ou au niveau du son ; la sensation de hauteur (que l'on exprime par les adjectifs « grave » ou « aigu ») apparaît étroitement liée à la fréquence. Il est plus délicat de donner une description subjective d'un son complexe, même périodique, et l'on est rapidement amené à introduire des notions tournant notamment autour de ce que l'on appelle le timbre du son. Enfin, le système nerveux central possède une certaine aptitude à pousser l'analyse d'un son jusqu'à des tentatives d'identification de sa source, à partir des caractéristiques perçues : c'est une tendance naturelle de tenter de remonter du timbre d'un son à la nature de l'instrument qui l'a produit. Néanmoins, l'établissement de relations générales entre les caractères physiques et perceptifs des sons a été une tâche fort laborieuse pour les psychoacousticiens, depuis la première moitié du XIX ^e siècle. Elle est imparfaitement achevée, et l'on ignore encore de nombreux détails cruciaux en ce qui concerne les bases physiologiques sous-jacentes à ces relations : les câblages intermédiaires entre la cochlée, en périphérie, et les centres supérieurs ont été élucidés anatomiquement assez récemment, et leur physiologie reste d'une complexité qui défie vite l'analyse.

Pourquoi s'intéresser à ces paramètres psychoacoustiques : principalement parce que leur connaissance permet de définir les caractéristiques que doivent présenter les sons pour servir de support à la communication et véhiculer de l'information acoustique intelligible. C'est la raison pour laquelle la psycho-acoustique a, de tous temps, été un carrefour pour des scientifiques issus de la physique, des télécommunications et du traitement du signal (von Helmholtz, Graham Bell, Barkhausen, von Bekesy, Stevens, Zwicker, Blauert, etc.).

Nous nous proposons d'examiner dans cet article quelques-unes des propriétés les plus importantes des sensations de sonie, de hauteur et de timbre, au moins dans le cas de sons relativement simples, purs ou périodiques en parti-culier, et nous ne tenterons d'aborder que prudemment quelques hypothèses concernant les modèles physiologiques à visée explicative. Nous détaillerons quelques conséquences perceptives des pathologies auditives les plus courantes et aborderons à cette occasion quelques problèmes liés à l'appareillage auditif.