Introduction sur les tests perceptifs

Les tests perceptifs peuvent être mis en œuvre pour analyser différentes caractéristiques des sons et découvrir les dimensions perceptives utilisées par des auditeurs pour différencier ces stimuli audio. Ces mesures de différences relatives permettent de construire une matrice de dissemblances perçues entre stimuli. À partir de la matrice de dissemblances issue du test, les dimensions sont révélées à l’aide d’une méthode MDS (Multi-Dimensionnal Scaling) [35], qui permet de représenter les dissemblances perçues par les auditeurs entre les stimuli dans un espace multidimensionnel.

Les diverses procédures expérimentales mises en œuvre pour évaluer la gêne ou tout autre attribut perceptif, peuvent être classées en deux catégories: les évaluations absolues pour lesquelles, il est demandé à l’auditeur d’évaluer chaque son indépendamment des autres, et les comparaisons de sons par paires. Pour un nombre réduit de sons, c’est cette dernière méthode qui sera privilégiée : pour des auditeurs non spécialistes, la tâche de comparaison est plus simple à réaliser qu’une évaluation absolue.

La méthode de comparaison par paires est principalement recommandée [58, 59] comme étant la méthode standard pour obtenir directement des jugements de dissemblance entre des stimuli audio. Les auditeurs doivent évaluer la dissemblance globale des paires en reportant par exemple leur estimation sur une échelle linéaire variant de "très semblable" à "très dissemblable". Les matrices individuelles de dissemblances sont remplies avec les estimations des auditeurs et conduisent à une matrice moyenne adaptée à la MDS.

Par contre, la méthode de comparaison par paires est seulement adaptée pour l’estimation de dissemblance sur un faible nombre de sons. Le nombre de présentations (paires) du test croît rapidement pour un large panel de stimuli. Pour un test faisant intervenir 30 stimuli, l’évaluation de 435 paires est nécessaire pour remplir la matrice de dissemblances. Dans ce cas, l’influence de la fatigue auditive devient significative pour un test d’une durée importante.

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L'approche perceptive des sons a été utilisé dans plusieurs domaines; par exemple dans l'automobile pour l'étude des sons produits par les systèmes de climatisation. H Vincent [60] a réalisé une étude concernant les sons produits par les systèmes de soufflage d’air conditionné dans un contexte d’interaction acoustique et thermique. Que ce soit dans l’habitat ou dans un véhicule, l’interface des tests est réalisée sous LABVIEW en 3 étapes : comparaison par paires sur la préférence, comparaison par paires sur la dissemblance et à des questions à caractère évocatif. D’après les résultats des tests, le premier facteur acoustique lié à la dissemblance entre deux sons est la sonie, viennent ensuite des indicateurs liés à la composante harmonique : rugosité, centre de gravité spectral et NHR(A) Noise to Harmonic Ratio en dBA. Il apparaît que la perception des sons de soufflage ne peut se limiter à l’étude de la composante bruitée du son, et que la composante harmonique est de grande importance dans le contexte acoustique automobile.

Dans le domaine des chemins de fer concernant la perception du bruit intérieur dans un train à grande vitesse pour améliorer le confort et pour répondre aux attentes des consommateurs. E Parizet et al. [61] ont utilisé des enregistrements sonores binauraux dans diverses positions dans un train à grande vitesse comme stimuli dans des tests d’écoute. Dans une première expérience, les bruits ont été soumis aux sujets à leurs vrais niveaux. L’intensité sonore indiquée pour être le paramètre le plus important. La méthode de comparaison par paire a été utilisée pour comparer les paires des sons lors du test d’écoute, ces paires sont présentées aux auditeurs aléatoirement selon la série de Ross. La procédure du deuxième essai est identique à celle qui a été utilisée pour l’expérience précédente. La seule différence est que les auteurs utilisent un casque d'écoute pour les basses fréquences (Altec Lansing A) 1632. Le but de cet essai était d'évaluer l'importance de la perception des très basses fréquences par le corps. Les conclusions de cette étude sont les suivantes : le premier facteur influençant sur la perception sonore dans un TGV est l’intensité sonore, l’influence de cette derrière est tout à fait la même pour chaque auditeur, elle est due principalement à la vitesse de train. Quand, on élimine son influence, la perception est différente parmi les auditeurs, la plupart des auditeurs (70%) préfère le bruit en basse fréquence.

A MINARD [62] dans sa thèse de doctorat, intitulé perception et confort acoustiques des Systèmes de Traitement d’Air (STA), a étudié le confort acoustique ressenti par les usagers de (STA), tels que les systèmes de climatisation de différents tailles installés dans les bureaux. Les auteurs concentrés sur deux facteurs, qu’ils considèrent parmi les plus importants quant à leur influence sur la perception du son de STA, le premier est l’influence de l’acoustique des salles, phénomène de réverbération. Le second point d’intérêt concerne le contexte attentionnel des

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auditeurs. Plusieurs expériences ont été réalisées lors de ce travail, une expérience de catégorisation libre a été conduite dans le but d’identifier les principales familles de sons de STA. À la lumière des résultats de cette expérience, il semble que les neuf familles de sons identifiées soient principalement gouvernées par le contenu spectral du son, ce qui est expliqué aisément par la nature globalement stationnaire des sons.

L’étape suivante du travail a été d’identifier les attributs auditifs pertinents pour la perception et l’évaluation de la qualité des sons de STA. Pour ce faire, une expérience de mesure de similarités a été réalisée, et l’analyse des résultats a révélé un espace de timbre de deux dimensions. Il s’avère que ces deux dimensions représentent respectivement l’énergie acoustique dans les très basses fréquences, et la brillance du son. Enfin, la dernière partie a consisté à aborder l’influence du contexte d’écoute sur la qualité sonore perçue. Plus précisément, deux éléments du contexte d’écoute ont été étudiés. Dans un premier temps, ils se sont intéressés à l’influence de la réverbération sur les jugements de préférence des auditeurs. Dans un second temps, la question du contexte attentionnel d’écoute a été abordée. Afin de refléter plus fidèlement les conditions d’écoute des STA, une procédure expérimentale spécifique recréant une condition d’écoute dite distraite a été mise au point et utilisée afin de détourner l’attention des participants du son. La comparaison des évaluations des sons obtenues à l’aide de cette procédure avec celles obtenues dans le cas d’une expérience en contexte habituel d’écoute attentive a permis de mettre à jour, parmi le panel de participants, deux tendances différentes. La première, majoritaire, semble similaire aux résultats obtenus en condition d’écoute attentive, et la seconde s’y oppose. Ceci tendrait à montrer que les résultats obtenus dans le cadre d’une procédure avec un contexte d’écoute attentive permettent d’obtenir des évaluations relativement pertinentes dans la majorité des cas, mais que, ponctuellement, l’attention des auditeurs peut influer de manière importante sur leur ressenti.

Plusieurs chercheurs ont étudié la comparaison des tests d'écoute dont le but d'expliquer les avantages et les inconvénients de la méthode de comparaison par paires. E Parizet et al. [63] ont comparé plusieurs méthodes d’évaluation de l’agrément de sons stationnaires, deux méthodes d’évaluation absolues, une de similarités et trois de comparaison par paires. Pour ces dernières, le protocole de base est le même : dans une première étape, l’ensemble des stimuli à évaluer est présenté aux auditeurs afin qu’ils se familiarisent avec les sons de l’étude. La suite des paires de sons est définie par une série de Ross [64], après un arrangement aléatoire des sons. Les paires sont présentées à l’auditeur qui, dans un premier temps, écoute la paire avant de l’évaluer.

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– Comparaison par paire à choix forcé : après avoir écouté une paire de sons, l’auditeur doit choisir le son le plus plaisant entre deux propositions : "son A le plus plaisant" ou "son B le plus plaisant" (voir Figure 1.3, test T3).

– Le 2ème type de méthode propose à l’auditeur 5 choix : "son A beaucoup plus plaisant", "son A plus plaisant", "A et B également plaisants", "son B plus plaisant", "son B beaucoup plus plaisant" (voir Figure 1.3, test T4).

– Pour la 3ème méthode, l’auditeur doit positionner un curseur le long d’une échelle continue, graduée en 5 catégories (voir Figure 1.3, test T5).

Pour ces trois méthodes, les auteurs ont conclu que le nombre de sons (n) et donc de paires à évaluer (n∗(n−1)/2) ne doit pas être trop important. Les espaces perceptifs obtenus par les six méthodes présentent de fortes similarités : les deux premiers axes sont stables quelle que soit la méthode. A noter que le pouvoir de discrimination est plus important pour les tests de comparaison que pour les évaluations absolues. De plus, pour obtenir un pouvoir de discrimination maximal, le test à choix forcé est à éviter. Le calcul des scores d’un test de comparaison par paires dépend de la grandeur comparée et de l’échelle utilisée. Trois approches sont couramment employées : linéaire, BTL (pour Bradley-Terry-Luce [65, 66]) et Thurstone, cas V [67, 68].

Figure 1.8. Échelles de réponses pour trois types de tests de comparaison par paires d’après l’étude de Parizet et al. [63].

Pour des jugements non unidimensionnels (comparaison par triades), des modèles de calcul d’échelles multidimensionnelles (MDS, multidimensionnalscaling) cherchent à représenter les stimuli dans un espace multidimensionnel de façon à ce que les distances dans cet espace correspondent aux distances psychologiques [69].

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P.Y. Michaud et al. [70] en 2010, ont étudié un problème de la méthode de comparaison par paire qui est la durée importante des tests d’écoute lorsque le nombre de stimuli est assez grand, il conduit à une fatigue auditive. La recherche d’un test permettant l’évaluation d’un grand nombre de stimuli a permis d’adapter une méthode provenant de la perception visuelle, menée par Rogowitz et al. [71], dans le but d’évaluer la similarité sur un large panel d’images, qui s’appelle comparaison à une référence. La tâche consiste à évaluer la similarité d’un groupe de stimuli par rapport à une référence. Ce travail est composé de deux parties, la première est une simulation des jugements d’un échantillon d’auditeurs ‘parfaits’ qui permets d’évaluer l’influence de plusieurs paramètres tels que le nombre de stimuli et le nombre d’auditeurs simulés, ensuite les auteurs dans une deuxième partie appliquent la méthode à l’évaluation perceptive des enceintes acoustiques. Pour valider expérimentalement l’utilisation de cette méthode, deux tests perceptifs sur l’évaluation des enceintes acoustiques ont été menés sur deux panels différents déjà évalués par Lavandier et al. [72-74] avec deux autres méthodes. Les résultats perceptifs sont comparés à ceux obtenus par Lavandier et al. Cette comparaison des méthodes permet d’évaluer et de valider l’utilisation de la méthode de comparaison à une référence.

D’autres travaux ont été faits dans le cadre de l’étude des bruits rayonnés des différentes structures telles que les plaques vibrantes dans plusieurs contextes. L’objectif du travail de N Hamzaoui [75] est de prédire le bruit rayonné par des structures vibrantes à partir de mesures vibratoires acquises, dans le domaine temporel, sur leur surface. Cette approche a permis de procéder à des auditions sonores et d’analyser les effets subjectifs de quelques variations paramétriques sur la qualité sonore des structures vibrantes. Il est donc nécessaire d’avoir un échantillonnage temporel assez fin pour assurer cette tâche. Dans le domaine fréquentiel cette prédiction est basée sur la résolution de l’équation intégrale de Kirchoff, qui est très gourmande en temps de calcul et limitée aux basses et moyennes fréquences, la méthode des éléments de frontières (BEM) est utilisée pour la résolution. Dans ce travail, l’auteur présente une approche développée dans le domaine temporel dans laquelle le calcul complet (BEM) est évité en choisissant une distance minimale à respecter de façon à avoir Flim1=Flim2, et n’utiliser ainsi que des calculs simplifiés. Les données vibratoires sont acquises à partir de mesures en fonction du temps, et la structure étudiée est une boîte parallélépipédique excitée par deux pots d’excitation mécanique sollicitant une ou deux faces de cette boîte en acier. Les pressions acoustiques, calculées dans le domaine temporel, seront confrontées aux mesures, en utilisant des tests de similarité subjective, intégrant une variation des principaux paramètres intervenant dans cette approche. Les tests d’écoute subjectifs de similarité utilisés sont du type comparaison par paire, ou bien mixte offrant la possibilité à l’auditeur de comparer librement les sons calculés

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au son de référence. Cette approche intégrale simplifiée, évitant un calcul par éléments frontières très gourmand en temps de calcul et limité aux basses ou moyennes fréquences, a permis d’identifier de façon subjective, grâce à sa formulation temporelle, les zones de surfaces les plus rayonnantes et remonter ainsi aux sources de bruit. Son intérêt, pour des structures industrielles de géométrie complexes, paraît très intéressant et devrait être testé sur des structures de type moteur thermique par exemple.

Miloudi A et al. [76] dans leur travail ont combiné des approches physiques et subjectives pour évaluer la qualité des sons des plaques excités, ils ont employé un modèle numérique basé sur la loi de contact de Hertz pour déterminer le niveau de pression acoustique en un point quelconque dans l’espace résultant d’un impact. Des bruits synthétisés avec l’utilisation de ce modèle et ceux des expériences peuvent être alors exploités dans l’analyse physique et/ou dans l’analyse subjective des effets liés aux variations des paramètres. L’influence de certains paramètres physiques sur la perception sonore des plaques excitées est évaluée par la conception d’un plan d’expérience et un test subjective de préférence. Cette dernière est basée sur l’évaluation de préférence entre deux paires de sons synthétiques par la variation de plusieurs paramètres structuraux en même temps. D’après les résultats de ce travail les auteurs trouvent que la méthode des plans d’expériences a permis d’identifier des tendances dans l’influence des trois paramètres sur le niveau acoustique d’une plaque excitée: la matière et la position du point d’impact sont les facteurs ayant le plus grand effet sur le niveau de pression rayonné ; l’interaction la plus significative est entre la matière et la position d’écoute. Les différentes méthodes d’analyse des résultats (analyse graphique et de variance) permettent d’identifier le paramètre ayant la plus grande influence sur la préférence. Les conditions aux limites sont le paramètre le plus signifiant avec une très grande influence, suivi par la position du point d’impact et l’interaction matière-point d’impact d’une part, et l’interaction conditions aux limites-point d’impact d’autre part.

Dans la première partie de leur travail N Hamzaoui et al. [77] présentent la modélisation théorique d’un rotor supporté sur des roulements, en simulant plusieurs défauts tels que le désalignement, le balourd et les défauts de roulements. Ils trouvaient qu’il était possible de définir les principaux défauts mécaniques dans les machines tournantes à partir d’un modèle dynamique linéaire et d’une approche simplifiée à une étude acoustique. Ce procédé permet d’identifier les différents critères afin d’améliorer des diagnostics et pour proposer des procédures expérimentales ou théoriques dans le but de détecter les différents défauts. Avant de faire une comparaison entre les expériences, l’analyse des principaux paramètres mène aux conclusions suivantes : des paramètres tels que la rigidité du palier qui affecte la fonction de

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transfert du système rotatif nécessite d’être très bien connu afin d’évaluer les caractéristiques de la force interne des défauts. La réponse acoustique autour de la machine est qualitativement bien définie mais la prédiction quantitative du bruit pour des analyses vibratoires est moins précise, l’erreur étant due aux variations de phase entre les vitesses vibratoires mesurées, le type de champ acoustique autour de la machine est difficile à manipuler à cause de la géométrie complexe.

Le but de la deuxième partie du travail de Hamzaoui et al. [78] était de tester la validité de l’approche vibro-acoustique présentée dans la première partie [77] par la comparaison des résultats obtenus théoriquement avec ceux des mesures expérimentales. L’installation expérimentale permit de simuler les différents types des défauts de machine tournante, le prototype a été basé sur des critères industriels, permit la composition et la classification des différentes sources de bruit. Il s’est composé de trois parties avec des isolations acoustiques entre elles. Le défaut de balourd a été généré par l’ajout d’une masse au disque du rotor, par contre le désalignement a été généré au niveau des paliers mobiles dans deux directions pour simuler les différents types de désalignement (angulaire et parallèle). L’essentiel de cette étude est récapitulé comme suit :

Le prototype de l’installation expérimentale montre que la vibration et le niveau acoustique sont bas dans le cas sans défaut. La relation entre les défauts et la génération du bruit est confirmée et devrait rapporter une définition des critères pour la qualité acoustique des machines.

La simulation théorique et expérimentale des défauts (balourd ou désalignement) peut être caractérisée acoustiquement par la puissance acoustique ou la variation spatiale de pression. Enfin une connaissance parfaite des paliers, leur rigidité et leur tolérance, est nécessaire pour évaluer les forces internes, un modèle linéaire dynamique peut mener au développement des procédures expérimentales pour détecter les défauts.

Peu de recherches ont été menées pour l’application de la perception sonore dans le domaine de la maintenance et le diagnostic des défauts de machines tournantes. Meryem [79] a mené une analyse vibro-acoustique des sons issus des anomalies sur les dentures d’engrenages, puis à partir des résultats obtenus, elle a établi une corrélation avec les indicateurs vibratoires. Pour obtenir des indicateurs à la fois objectifs et pertinents aux niveaux subjectifs. Une analyse vibratoire a été réalisée, puis une analyse acoustique qui permet de chercher un ou plusieurs indicateurs vibratoires qui seront représentatifs de ces résultats. Parmi les méthodes de perception, elle utilisa l’analyse multidimensionnelle de proximité, appelée aussi mesures de similarités, qui visa à représenter des dissemblances (similarité) estimées entre stimuli par des distances entre ces mêmes stimuli symbolisés par des points dans un espace multidimensionnel. Pour trouver une

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signification physique des bruits d’engrenages, l’auteur a essayé de construire un lien entre les mesures vibratoires ou encore objectives, et les mesures acoustiques dites subjectives. Deux séries d’enregistrements ont été effectuées dans ce travail ; la première pour les sons capturés avec un microphone et la deuxième pour les signaux vibratoire issus d’un accéléromètre. Les résultats sont disposés en 22 matrices à 8 lignes et 8 colonnes qui contiennent les jugements pour les 32 paires de sons présentées. Par la suite une analyse multidimensionnelle de proximité a été établie. D’après les résultats obtenus dans ce travail, l’auteur a trouvé que le choix d’établir des corrélations entre l’aspect objective et subjective a permis de mettre en avant la relation importante qui existe entre d’une part les indicateurs vibratoires, principalement la valeur crête à crête, la valeur efficace de la vitesse et le centre de gravité spectral, et d’autre part les distances entre les sons d’engrenage dans l’espace de proximité. Ce sont les indicateurs de la vitesse vibratoire et le centre de gravité spectrale ainsi que la valeur crêt à crête qui expliquent au mieux les jugements de dissemblance pour les sons d’engrenages dans les machines tournantes.