Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique : Cergy : 2008. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p.237-246.

Texte remanié de: Habilitationsschrift--Fachbereich "Neuere Fremdsprachliche Philologien"--Berlin--Freie Universität, 1989.

Au terme de cette étude, un critère objectif synthétisant la perception du confort acoustique sera défini pour le cas du bruit de roulement dans une voiture particulière. Le bruit généré lors du roulage n'étant actuellement défini que par son niveau acoustique global, on veut expliquer sa perception par rapport à des calculs psychoacoustiques validés. Pour ce faire, l'analyse sensorielle est utilisée afin de décrire le bruit de roulement par des descripteurs sensoriels. D'abord, à partir d'une banque de sons préenregistrés en conditions contrôlées, une écoute en salle sur jury permet de dresser la liste des termes les plus évocateurs pour décrire les aspects perceptifs du bruit de roulement. Ensuite, chaque membre du jury évalue l'intensité de chaque aspect retenu sur une échelle d'intensité de 0 à 15. Parallèlement, une série de calculs effectués par traitement du signal attribuent des valeurs psychoacoustiques sur ces mêmes enregistrements. Une étude statistique de régression multiple permet alors de lier les intensités perçues à des métriques psychoacoustiques, pour rendre objectif le caractère subjectif de la perception acoustique. Les résultats attendus sont sous forme d'une liste de descripteurs perceptifs, chacun ayant été corrélé avec une fonction ou un algorithme appliqué à un enregistrement binaural. L'intégration de ces fonctions dans un logiciel synthèse d'analyse permet d'anticiper l'appréciation client. Ce travail s'insère dans le cadre plus général d'un déploiement orienté vers les attentes de différentes typologies de clients chez Renault S.A. Pour des raisons de confidentialité, les descripteurs de même que les coefficients de régression liant les descripteurs aux métriques psychoacoustiques ne sont pas explicités. Par ailleurs, ce mémoire se concentre sur la méthodologie adoptée ainsi que sur l'interprétation des résultats.

On propose dans cette thèse de compresser et de synthétiser un signal audio par inversion de ses motifs d'excitation auditive. On traite l'approche du codage dans le domaine perceptuel et on propose un codeur qui exploite la redondance présente dans ces motifs. On commence par proposer un nouveau filtre auditif à faible complexité qui peut non seulement modéliser les réponses mécaniques de la membrane basilaire, synthétiser les réponses impulsionnelles du nerf auditif mais aussi expliquer les expériences du masquage fréquentiel. Ensuite on détaille l'exploitation de ce même banc de filtres auditifs pour la discipline de la compression des signaux audio. Des modèles de masquage adaptés à ce banc de filtres sont appliqués aux motifs d'excitation auditives pour obtenir des représentations éparses. Des expériences montrent que ce codeur permet de réduire considérablement la redondance dans le domaine perceptuel tout en maintenant une bonne qualité subjective de synthèse.

La caractérisation du ressenti global du bruit intérieur d’habitacle passe par la définition des conditions conduisant à l’audibilité de ces composantes fréquentielles, émergeant du bruit de fond. Mon travail de thèse s’est attaché à décomposer les situations de masquage pouvant apparaître au sein d’automobile ou de train, en complexifiant progressivement les stimuli au cours des mesures de masquage, en laboratoire. Un certain nombre de choix méthodologiques ont dû être effectués, limitant l’étude aux sons stationnaires, sans modulation d’amplitude, sans déphasage entre les oreilles.Nous nous sommes confrontés tout d’abord à la question du mode de reproduction. Nous avons souligné les difficultés rencontrées lors de la mesure de l’étalonnage des casques d’écoute. Nous avons validé l’écoute au casque étalonné au tympan, en comparant les mesures de seuils masqués de sons purs dans un bruit large bande, à une écoute en chambre sourde, face à une enceinte monophonique.Ensuite, nous avons complexifié le contenu spectral du masque en présentant des bruits comportant des tonalités marquées. Plusieurs modèles perceptifs ont été testés de façon à prédire l’élévation des seuils mesurés.Enfin, nous avons étudié l’amélioration à la détection d’un signal multifréquentiel et développé un modèle, issu de la théorie de la détection du signal, applicable aux signaux présentant des différences en niveau entre les composantes. L’influence du bruit masquant a également été révélé par la mesure de seuils de signaux multifréquentiels dans un bruit d’habitacle automobile. Un unique modèle de détection de signaux émergents, applicable aux signaux stationnaires, a été proposé. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives, comme la poursuite du travail sur les émergences multifréquentielles, la prise en compte de la relation de phase entre les oreilles, l'étude des sons non stationnaires ou les phénomènes attentionels. / Emergences like tonal components take part in automobile and railroad acoustic comfort. These signals are totally or partially masked by the background noise, of automobile or train coaches. Determining the audibility of spectrally complex signals in a complex broadband noise masker, with tonalities or not, is yet an unanswered question and an industry expectation to characterize the overall sound quality of train/car cabins. The purpose of my PhD thesis was to measure detection thresholds for tones or complex tones, masked by a broadband noise, with pronounced tonal components or not. Several choices must have been performed, restricting study to stationary sounds, without modulation of amplitude, without inter-aural phase differences.First, different methods of sound reproduction are compared measuring detection thresholds. We underlined difficulties met during the measure of the calibration of headphones We validated the eardrum calibration, by comparing detection thresholds of pure sounds in a broad band noise, in a anechoic room, in front of a monophonic loudspeaker.Then, the masking thresholds of pure tones in the presence of maskers with pronounced tonal components are measured. Several perceptual models were tested in order to predict the elevation of the measured thresholds.Finally, we studied the improvement in detection of a multitone complex and developed a model to predict masking thresholds, based on the statistical summation model, applicable to multicomponent signals with differences in level between components. The influence of tonalities have been revealed with the car cabin noise.A threshold model, applicable to the stationary sounds, is proposed. Several perspectives are discussed, from time-variant signals to inter-aural differences or attention phenomena for example.

Les acouphènes subjectifs chroniques concernent entre 10 et 15% de la population des pays industrialisés. Ils peuvent entraîner des modifications visibles du comportement, une détérioration très nette de la qualité de vie et dans des cas extrêmes des troubles nerveux post-traumatiques ou un état dépressif clinique (Berrios & Rose, 1992; Berrios et al, 1988) pouvant mener à des pensées suicidaires (Dobie, 2003). Les acouphènes peuvent provenir de différents relais des voies auditives périphériques ou centrales, cependant la grande majorité des acouphènes chroniques est liée à une perte auditive, presbyacousie, ou exposition au bruit. En effet, approximativement 90% des acouphènes chroniques sont liés à une perte auditive (Nicolas-Puel et al. 2006).Les acouphènes peuvent entraîner des changements importants dans le fonctionnement de certains réseaux cérébraux. Même en cas de lésion périphérique, l’anomalie perceptive qui en résulte peut à terme entraîner une modification de l’activité des structures cérébrales, par des phénomènes de plasticité. Malheureusement aujourd’hui compte tenu des divergences constatées aux niveaux des résultats obtenus par les différentes études effectuées chez les sujets acouphéniques, aucun consensus n’a pu être établi quant à l’établissement d’un modèle de la physiopathologie des acouphènes liés à une perte auditive.L’objectif général de ce travail est donc de mettre en place un protocole multimodal robuste afin de détecter des d’anomalies d’activation cérébrales chez des sujets souffrants d’acouphènes unilatéraux liés à une perte auditive par rapport à des sujets normo-entendants. Ce protocole comprend :- un paradigme permettant de réaliser des acquisitions fonctionnelles avec et sans acouphènes perçus, grâce à l’inhibition résiduelle des acouphènes,- un paradigme d’IRM fonctionnelle de repos,- un paradigme d’IRM fonctionnelle avec stimulation sonores,- une mesure du débit sanguin cérébral régional.Notre étude a permis de mettre en évidence l’implication du réseau du mode par défaut et notamment du précunéus dans la perception d’acouphènes. En effet, les résultats de notre étude montrent selon plusieurs modalités que ce réseau est hypo-activé chez les sujets présentant des acouphènes liés à une perte auditive. L’hypoactivité de ces régions pourrait être réduite de façon temporaire par le masquage des acouphènes par une stimulation sonore. De plus, l’inhibition résiduelle des acouphènes conduit à l’hyper-activations des régions du réseau du mode par défaut et notamment du précunéus. / Chronic subjective tinnitus concern 10 to 15% of the population in industrialized countries. They can cause visible changes in behavior, a sharp deterioration in the quality of life and in extreme cases of post-traumatic stress disorder or clinical depression (Berrios & Rose, 1992; Berrios et al, 1988) that could lead to suicidal thoughts (Dobie, 2003). Tinnitus may originate from different peripherical nodes or central auditory pathways, however the majority of chronic tinnitus is associated with hearing loss, presbycusis, or exposure to noise. Indeed, approximately 90% of chronic tinnitus is associated with hearing loss (Nicolas-Puel et al. 2006).Tinnitus can cause significant changes in the activity of brain networks. Even in case of peripherical lesions, the perceptual abnormality that results can ultimately lead to a change in the activity of brain structures, by plasticity phenomena. Unfortunately today given the discrepancies in the levels of results obtained by different studies in the affected persons, no consensus has been established regarding the establishment of a model of the pathophysiology of tinnitus associated with a loss hearing.The general objective of this work is to develop a robust multimodal protocol to detect cerebral activation abnormalities in subjects suffering from unilateral tinnitus associated with hearing loss compared to normal-hearing subjects. This protocol includes:- An acquisition paradigm with and without perceived tinnitus through the residual inhibition,- A resting state fMRI paradigm,- A sound evoked fMRI paradigm (with sound stimulation),- A measure of the regional cerebral blood flow.Our study has permitted to highlight the involvement of the default mode network including the precuneus in the perception of tinnitus. Indeed, the results of our study show as many terms as the network is hypo-activated in subjects with tinnitus associated with hearing loss. Hypoactivity of these areas could be reduced temporarily by masking the tinnitus by sound stimulation. In addition, residual inhibition of tinnitus leads to hyper-activation regions of the default mode of the network and in particular precuneus.

La localisation des sources en azimuth repose sur le traitement des différences de temps d'arrivée des sons à chacune des oreilles: les différences interaurales de temps (``Interaural Time Differences'' (ITD)). Pour certaines espèces, il a été montré que cet indice dépendait du spectre du signal émis par la source. Pourtant, cette variation est souvent ignorée, les humains et les animaux étant supposés ne pas y être sensibles. Le but de cette thèse est d'étudier cette dépendance en utilisant des méthodes acoustiques, puis d'en explorer les conséquences tant au niveau électrophysiologique qu'au niveau de la psychophysique humaine. A la proximité de sphères rigides, le champ sonore est diffracté, ce qui donne lieu à des régimes de propagation de l'onde sonore différents selon la fréquence. En conséquence, quand la tête d'un animal est modélisée par une sphère rigide, l'ITD pour une position donnée dépend de la fréquence. Je montre que cet effet est reflété dans les indices humains en analysant des enregistrements acoustiques pour de nombreux sujets. De plus, j'explique cet effet à deux échelles: localement en fréquence, la variation de l'ITD donne lieu à différents délais interauraux dans l'enveloppe et la structure fine des signaux qui atteignent les oreilles. Deuxièmement, l'ITD de sons basses-fréquences est généralement plus grand que celui pour des sons hautes-fréquences venant de la même position. Dans une seconde partie, je discute l'état de l'art sur le système binaural sensible à l'ITD chez les mammifères. J'expose que l'hétérogénéité des réponses de ces neurones est prédite lorsque l'on fait l'hypothèse que les cellules encodent des ITDs variables avec la fréquence. De plus, je discute comment ces cellules peuvent être sensibles à une position dans l'espace, quel que soit le spectre du signal émis par la source. De manière générale, j'argumente que les données disponibles chez les mammifères sont en adéquation avec l'hypothèse de cellules sélectives à une position dans l'espace. Enfin, j'explore l'impact de la dépendance en fréquence de l'ITD sur le comportement humain, en utilisant des techniques psychoacoustiques. Les sujets doivent faire correspondre la position latérale de deux sons qui n'ont pas le même spectre. Les résultats suggèrent que les humains perçoivent des sons avec différents spectres à la même position lorsqu'ils ont des ITDs différents, comme prédit part des enregistrements acoustiques. De plus, cet effet est prédit par un modèle sphérique de la tête du sujet. En combinant des approches de différents domaines, je montre que le système binaural est remarquablement adapté aux indices disponibles dans son environnement. Cette stratégie de localisation des sources utilisée par les animaux peut être d'une grande inspiration dans le développement de systèmes robotiques. / Azimuth sound localization in many animals relies on the processing of differences in time-of-arrival of the low-frequency sounds at both ears: the interaural time differences (ITD). It was observed in some species that this cue depends on the spectrum of the signal emitted by the source. Yet, this variation is often discarded, as humans and animals are assumed to be insensitive to it. The purpose of this thesis is to assess this dependency using acoustical techniques, and explore the consequences of this additional complexity on the neurophysiology and psychophysics of sound localization. In the vicinity of rigid spheres, a sound field is diffracted, leading to frequency-dependent wave propagation regimes. Therefore, when the head is modeled as a rigid sphere, the ITD for a given position is a frequency-dependent quantity. I show that this is indeed reflected on human ITDs by studying acoustical recordings for a large number of human and animal subjects. Furthermore, I explain the effect of this variation at two scales. Locally in frequency the ITD introduces different envelope and fine structure delays in the signals reaching the ears. Second the ITD for low-frequency sounds is generally bigger than for high frequency sounds coming from the same position. In a second part, I introduce and discuss the current views on the binaural ITD-sensitive system in mammals. I expose that the heterogenous responses of such cells are well predicted when it is assumed that they are tuned to frequency-dependent ITDs. Furthermore, I discuss how those cells can be made to be tuned to a particular position in space irregardless of the frequency content of the stimulus. Overall, I argue that current data in mammals is consistent with the hypothesis that cells are tuned to a single position in space. Finally, I explore the impact of the frequency-dependence of ITD on human behavior, using psychoacoustical techniques. Subjects are asked to match the lateral position of sounds presented with different frequency content. Those results suggest that humans perceive sounds with different frequency contents at the same position provided that they have different ITDs, as predicted from acoustical data. The extent to which this occurs is well predicted by a spherical model of the head. Combining approaches from different fields, I show that the binaural system is remarkably adapted to the cues available in its environment. This processing strategy used by animals can be of great inspiration to the design of robotic systems.

Contexte : Le démasquage binaural est un processus indispensable pour la compréhension en environnement bruyant. Ce mécanisme ferait intervenir la comparaison d’indices temporels et fréquentiels tout au long des voies nerveuses auditives. Cependant, il n’existe pas de réel consensus évoquant un traitement du démasquage à un niveau sous-cortical et/ou cortical. L’objet de cette étude est d’étudier ces indices temporels et fréquentiels du démasquage par le biais d’une étude perceptive, puis d’une étude électroencéphalographique (EEG). Matériels et méthodes : Une population normoentendante a été évaluée lors d’une étude perceptive visant à estimer l’importance du démasquage en fonction de 1) la largeur fréquentielle du bruit controlatéral (de 1 octave, 3 octaves ou à large bande), 2) la cohérence temporelle des bruits bilatéraux (corrélation égale à 0 ou 1) et 3) la fréquence des stimuli cibles (0,5, 1, 2 et 4 kHz). Puis, le démasquage a été évalué en EEG par l’étude 1) des latences précoces (<10 ms, PEA-P), 2) des latences tardives (<50 ms, PEA-T) et 3) de l’onde de discordance (PEA-MMN). Pour ces trois études EEG, l’influence de la cohérence temporelle des bruits bilatéraux a été explorée.Résultats : L’étude perceptive traduit un démasquage croissant lorsque la largeur fréquentielle du bruit controlatéral augmente. L’ajout du bruit controlatéral non corrélé (corrélation=0) se traduit par une amélioration de détection de 1,28 dB, quelle que soit la fréquence des stimuli cibles (antimasquage), alors que l’ajout d’un bruit controlatéral corrélé (corrélation=1) évoque une amélioration de détection lorsque la fréquence des stimuli cibles diminue (démasquage) : 0,97 dB à 4 kHz et 9,25 dB à 0,5 kHz. En PEA-P, les latences des ondes III et V se raccourcissent lorsqu’un bruit controlatéral corrélé ou non corrélé est ajouté (≈0,1 ms). En PEA-T, les amplitudes des ondes P1, N1 et des complexes P1N1 et N1P2 augmentent lorsqu’un bruit controlatéral corrélé ou non corrélé est ajouté. Enfin, l’amplitude de la MMN est plus conséquente lorsque le bruit controlatéral ajouté est corrélé (versus non corrélé). Conclusion : L’étude perceptive explicite l’importance des indices spectraux (antimasquage) et temporels (démasquage), pour améliorer la perception d’un signal initialement masqué. L’étude EEG suggère, quant à elle, un traitement sous-cortical influencé uniquement par les indices spectraux (antimasquage) et un traitement plus cortical influencé par les indices temporels (démasquage). / Background: Binaural unmasking is an essential process for understanding in noisy environments. This mechanism would involve the comparison of time and frequency cues throughout the hearing nerve pathways. However, there is no real consensus evoking a treatment of a binaural masking release at a subcortical and/or a cortical level. The purpose of this study is to investigate the time and frequency cues of the binaural unmasking through a perceptual study, and then through an electroencephalographic study (EEG).Materials and Methods: Normal hearing people were evaluated with a perceptive study to estimate the importance of the binaural unmasking according to 1) the frequency width of the contralateral noise (1 octave, 3 octaves or broadband), 2) the temporal coherence of bilateral noises (correlation equal to 0 or 1) and 3) the frequency of the target stimuli (0.5, 1, 2 and 4 kHz). Binaural unmasking was then evaluated with EEG by studying 1) early latencies (<10 ms, PEA-P), 2) late latencies (<50 ms, PEA-T) and 3), the mismatch wave (PEA- MMN). For these three EEG studies, the influence of the temporal coherence of bilateral noise was investigated.Results: The study shows a growing perceptive binaural unmasking when the frequency width of the contralateral noise increases. The addition of an uncorrelated contralateral noise (correlation = 0) results in a 1.28 dB detection enhancement, regardless of the frequency of the target stimuli (antimasking), while adding a contralateral correlated noise (correlation = 1) refers to a detection enhancement when the frequency of the target stimuli decreases (unmasking): 0.97 dB at 4 kHz and 9.25 dB at 0.5 kHz. The latencies of waves III and V are shortened when a contralateral correlated or uncorrelated noise is added (≈0,1 ms) in the PEA-P. The amplitudes of P1, N1 waves and P1N1 and N1P2 complex increase when contralateral correlated or uncorrelated noise is added in PEA-T. Finally, the amplitude of the MMN is higher when a contralateral correlated noise is added (versus an uncorrelated one).Conclusion: The perceptual study shows the significance of spectral cues (antimasking) and temporal cues (unmasking), to improve the perception of an initially masked signal. The EEG study suggests a subcortical treatment which is only influenced by spectral cues (antimasking) and a cortical processing, influenced by temporal cues (unmasking).

La synthèse binaurale est la technique de spatialisation sonore la plus proche de<br />l'écoute naturelle. Elle permet un rendu spatialisé d'une source monophonique à une po-<br />sition donnée avec seulement deux filtres qui correspondent aux oreilles gauche et droite :<br />les HRTF (Head Related Transfer Function). L'inconvénient majeur de la technique bi-<br />naurale repose sur le fait que les HRTF, liées à la morphologie de l'auditeur, sont propres<br />à chaque utilisateur. Une écoute avec des HRTF non-individuelles comporte des artefacts<br />audibles. Il faut donc acquérir des HRTF individuelles. Cette thèse aborde le problème<br />de l'individualisation de la synthèse binaurale dans le cadre de son implémentation en un<br />retard pur, la différence interaurale de temps (ITD), et un filtre à phase minimale déter-<br />miné par le module de la HRTF. Le travail sur l'ITD permet de valider l'implémentation<br />choisie même pour les positions où les HRTF sont mal décrites par des filtres à phase<br />minimale et permet de déterminer, parmi les méthodes classiques de calcul de l'ITD,<br />celles qui estiment une ITD proche de la perception. Une étude expérimentale est aussi<br />menée pour établir la résolution de l'ITD avec l'angle d'élévation. Les résultats indiquent<br />la nécessité perceptive de reproduire les variations de l'ITD en élévation. Une nouvelle<br />formule d'estimation de l'ITD créée sur la base d'un modèle de tête sphérique, la formule<br />de déplacement des oreilles (FDO), est développée pour rendre compte de ces variations.<br />L'optimisation des paramètres de cette formule aux ITD de toute une base de données<br />de HRTF permet d'entrevoir une formulation moyenne convenant pour un grand nombre<br />de personne et pour de nombreuses applications. L'étude s'est ensuite focalisée sur la<br />modélisation du module spectral (filtre à phase minimale). Le travail réalisé sur l'appli-<br />cation des méthodes de calcul par éléments de frontière (BEM pour Boundary Element<br />Method) pour l'acquisition de HRTF, indique que cette méthode, peut notamment être<br />utilisée en complément des mesures pour l'acquisition de la partie basse fréquence des<br />HRTF. Une approche originale, qui applique des techniques d'apprentissage statistique,<br />est proposée et étudiée pour la modélisation de HRTF. Un réseau de neurones artificiels<br />(RNA) est entra^³né pour calculer des HRTF d'un individu à partir de la connaissance<br />des HRTF mesurées en un nombre réduit de positions. Les premiers résultats sont en-<br />courageants : le modèle permet d'atteindre un degré assez fin d'individualisation, ce qui<br />suggère un protocole simplifié d'acquisition de HRTF. Un faible nombre de mesures est<br />acquis et les autres sont prédites par le modèle.

Cette étude vise à relier les évaluations physiques et perceptives de différences de restitution du timbre par des enceintes acoustiques. Notre protocole expérimental consiste à enregistrer le champ acoustique rayonné par des enceintes dans une pièce. Ces enregistrements sont soumis à des tests d'écoute au casque, ainsi qu'à des analyses de signal. Les dissemblances objectives et perceptives obtenues sont comparées. La corrélation entre dissemblances est d'abord calculée. Nous abandonnons ensuite le critère de linéarité et prenons en compte le caractère multidimensionnel de notre perception de la reproduction sonore : les deux types de dissemblances sont soumis à une analyse multidimensionnelle, et les espaces obtenus sont comparés visuellement. Nos résultats montrent l'importance d'utiliser des modèles auditifs afin de différencier les signaux d'une manière analogue à celle des auditeurs. Des attributs objectifs décrivant deux des dimensions principales impliquées sont proposés.