Comparaison de méthodes d’évaluation perceptive de la tonalité
Clément DENDIEVEL1 (clement.dendievel@genesis.fr) Antoine MINARD1
Christophe LAMBOURG1 Patrick BOUSSARD1
1 GENESIS, Domaine du Petit Arbois, BP 69, 13545 Aix-en-Provence Cedex 4, France
La tonalité est un attribut perceptif lié aux composantes tonales (émergences spectrales) présentes dans de nombreux types de bruit (avions, systèmes de climatisation, voiture électrique, ...). Plusieurs facteurs influencent la tonalité perçue (fréquence du ton, niveau d'émergence du ton, etc.). La largeur spectrale du bruit de fond est l'un de ces facteurs. Son impact sur la perception de la tonalité n’est pas nettement caractérisé dans la littérature.
S’appuyant sur la théorie du masquage, certains indicateurs de tonalité ne prennent en compte qu’une largeur de bande critique de bruit autour du ton émergent.
D'un point de vue plus pratique, il existe différentes méthodes de test d’écoute pour étudier l’impact d’un facteur sur la tonalité perçue (évaluation directe, méthode adaptative, …). La durée d’un test ainsi que la précision des résultats perceptifs dépendent en partie de la méthode choisie. Dans le cadre de cette étude, 18 sons ayant des largeurs spectrales de bruit de fond différentes ont été évalués par plusieurs sujets en utilisant trois méthodes de tests d’écoute : une méthode d’évaluation directe, une méthode adaptative à choix forcé (2AFC 1down/1up) et une méthode d’égalisation à iso-tonalité
La méthode d’égalisation à iso-tonalité apporte le meilleur compromis entre la précision des résultats et la durée du test d'écoute. Les résultats perceptifs suggèrent que le bruit contenu en dehors de la bande critique autour du ton devrait être considéré lors de l'évaluation de la tonalité.
1 Introduction
Dans de nombreuses situations (bruit d’avion [1], de climatisation [2], d’ordinateur [3], de train, de voiture électrique…) la tonalité est synonyme de désagrément [4]. Dans certain cas, la présence d’émergence(s) tonale(s) au sein d’un bruit peut être gage de qualité sonore, lors du design des bruits de moteur de voiture par exemple [5,6]. Elle est également un facteur fonctionnel important dans la perception des sons d’alarme au sein de bruit de fond.
1.1 Facteurs influençant la tonalité perçue
Plusieurs facteurs influencent la tonalité perçue.
Un certain nombre d’études montrent que la tonalité perçue augmente en fonction de la fréquence et du niveau d’émergence du ton [4,7,8,9].
Les bandes étroites de bruit sont également perçues comme tonales. Il est prouvé que la tonalité perçue diminue lorsque l’on augmente la largeur fréquentielle du ton [7,8,10,11].
Si la largeur spectrale du ton est un facteur qui a été étudié, cela n’est pas le cas pour la largeur
spectrale du bruit de fond. Aussi, certains indicateurs de tonalité ne tiennent compte dans leur calcul que d’une bande critique de bruit autour du ton. Ces éléments ont motivé l'étude de l'influence potentielle de la largeur spectrale du bruit de fond sur la tonalité perçue.
1.2 Méthodes de test d’écoute utilisées pour étudier l’impact d’un facteur sur la tonalité perçue
Différentes méthodes de test d’écoute sont employées pour étudier l’impact d’un facteur sur la tonalité perçue : des méthodes de comparaison par paire [9,12], des méthodes d’évaluation directe sur une échelle discrète [8], des méthodes de sémantique différentiel [13], ou des méthodes adaptatives. Les méthodes adaptatives couramment employées utilisent un paradigme de réponse 2AFC (2 Alternative Forced Choice, choix forcé entre 2 réponses possibles). Elles ont initialement été utilisées pour la mesure de seuil. Au cours de ces méthodes, le seuil est déterminé à l’issue d’un certain nombre d’essais (de présentation du stimulus testé) entre lesquels le niveau de présentation du stimulus est ajusté en fonction des réponses précédentes du
sujet. Ce type de méthode a été adapté à l’évaluation la tonalité [7,14,15].
2 Expériences
Trois méthodes de test d’écoute sont mises en place dans le but d’étudier l’influence de la largeur spectrale du bruit de fond sur la tonalité perçue.
2.1 Stimuli
Dix-huit stimuli sont testés, correspondant à toutes les combinaisons possibles de : 3 fréquences du ton (fton), 3 niveaux d’émergence du ton (ΔLton), ainsi que 2 largeurs de bande de bruit de fond (largeurBdF) [Tableau 1]. Les stimuli ont une durée de 2 secondes. Le niveau d’émergence du ton a été calculé de telle sorte que l’énergie du ton soit supérieure de x dB par rapport à l’énergie de sa bande critique. Autrement dit, cela correspond à une valeur de TNR [16] de 5, 10 ou 15dB pour la fréquence du ton. Les largeurs de bande de bruit sont exprimées en bandes critiques (Bark) calculées selon le modèle de Zwicker [17]. Les bruits de fonds sont créés à partir d’un bruit uniformément excité (UEN, Uniform Exciting Noise). Un filtre Butterworth d’ordre 6 est utilisé pour créer les largeurs spectrales désirées.
Tableau 1 – Plan d’expérience
fton [Hz] 600 1200 2400
ΔLton [dB] 5 10 15
largeurBdF [Bark] 2 8
Certaines méthodes de test d'écoute utilisent des sons de référence [sections 2.2.2 et 2.2.3]. Le son de référence est un UEN [20 Hz - 20 kHz], auquel un ton est ajouté (fton,ref = 1 kHz). La sonie de 9 sons de référence (couvrant une large gamme de niveaux d'émergence) et des 18 stimuli est égalisée expérimentalement par 9 sujets.
2.2 Méthodes
Avant de commencer l’évaluation des 18 stimuli, chaque participant suit une formation lui expliquant ce qu’est la tonalité. Deux exercices « simples » sont ensuite effectués afin de permettre à l’expérimentateur de valider que chaque sujet a compris ce qu’est la tonalité. Suite à cette première phase, trois tests sont effectués.
2.2.1 Test 1 : évaluation directe
Lors de ce test, il est proposé à chaque sujet d’écouter les sons un à un (présentation aléatoire des
stimuli), puis d’indiquer le niveau d’intensité tonale perçu en positionnant un curseur sur une échelle comportant 5 adjectifs (« très faible », « faible »,
« moyen », « fort », « très fort ») [Figure 1]. Cette échelle est continue [18].
Figure 1 - Interface de test utilisée pour la méthode d’évaluation directe
Les résultats issus de ce test correspondent à une note provenant d’une échelle arbitraire (allant de 0 à 10) pour chaque son.
2.2.2 Test 2 : méthode adaptative à choix forcé (2AFC 1down/1up)
Au cours de ce test adaptatif, il est proposé aux sujets d’écouter deux sons puis de sélectionner celui ayant l'intensité tonale la plus forte [Figure 2]. Un des sons est un des 18 stimuli évalués, le second est un son de référence [section 2.1]. A chaque essai, selon la réponse précédente, le niveau d'émergence du ton du son de référence (ΔLton, ref) est augmenté ou diminué par pas fixe de 1 dB, afin de converger vers l'intensité tonale du stimulus évalué.
Figure 2 - Interface de test utilisée pour la méthode adaptative 2AFC 1down/1up Ce test utilise un paradigme de réponse 2AFC 1down/1up. L’évaluation d’un stimulus se termine après 6 inversions du sens d’ajustement (augmentation / diminution de ΔLton, ref). Les stimuli sont présentés aléatoirement et entrelacés. Le niveau
d’émergence du son de référence (ΔLton, ref, en dB) correspondant à l'intensité tonale du stimulus évalué est ainsi obtenu pour chaque son. Ce niveau d'émergence est calculé en faisant la moyenne des valeurs obtenues aux quatre dernières inversions [Figure 3].
: le sujet a répondu que le son de référence à l’intensité tonale la plus forte
: le sujet a répondu que le son testé à l’intensité tonale la plus forte
ou : inversion (extremum) prise en compte dans le calcul du niveau du niveau d’émergence du stimulus de référence
Figure 3 - Exemple de résultats issus de la méthode 2AFC 1down/1up
La sonie des stimuli évalués et des sons de référence est maintenue constante. Pour ce faire, un gain correspondant à une valeur linéairement interpolée de la [section 2.1] est appliqué à chaque essai au son de référence.
2.2.3 Test 3 : égalisation à iso- tonalité
Lors de ce test, il est proposé aux candidats d’ajuster la tonalité du son de référence (ici le son A), afin qu’elle corresponde à la tonalité perçue du son testé (ici le son B) [Figure 4]. La tonalité du son de référence est ajustable à l’aide d’un curseur, qui contrôle le niveau d’émergence du ton A (∆Lton,ref).
Tout comme pour la méthode adaptative à choix forcé, le niveau d’émergence du son de référence (ΔLton, ref, en dB) correspondant à l'intensité tonale du stimulus évalué est ainsi obtenu pour chaque son.
Figure 4 - Interface de test utilisée pour la méthode d’égalisation à iso-tonalité
De la même manière que pour la méthode 2AFC, la sonie du son de référence n’est pas modifié lors de l’ajustement manuel du niveau d’émergence.
2.3 Participants
Dix-huit participants (9H/9F, âgés de 22 à 55 ans) ont pris part à l’expérience pour laquelle ils ont été rémunérés. Aucun sujet n’a fait mention d’un problème auditif majeur dont il aurait eu connaissance. Dix participants travaillent dans un domaine lié à l’audio ou l’acoustique.
2.4 Matériel
L’expérience a été effectuée au casque dans la salle d’écoute de la société Genesis. Une carte audio Focusrite Scarlett 2i2 et un casque audio ouvert Sennheiser HD 650 ont été utilisés. Trois interfaces ont été spécialement programmées en Matlab R2011b. Ces interfaces gèrent la lecture des sons (par la librairie Psychtoolbox) et la saisie des réponses pour les trois méthodes.
3 Résultats perceptifs
Une analyse de la variance (ANOVA) à trois facteurs à mesures répétées a été appliquée sur les résultats de chaque méthode. Dans chaque cas, les 3 facteurs sont la fréquence du ton (fton), le niveau d’émergence du ton (ΔLton) et la largeur spectrale du bruit de fond (largeurBdF). Les p value significatives résultantes de cette analyse sont proposées en gras au sein du [Tableau 2]. Ces résultats sont détaillés et illustrés dans les paragraphes suivants.
Tableau 2 - ANOVA Paramètre Eval.
directe 2AFC Egalisation ΔLton 0.000 0.000 0.000
fton 0.000 0.000 0.002 fton*ΔLton 0.507 0.284 0.003 largeurBdF 0.000 0.000 0.000 ΔLton*largeurBdF 0.155 0.000 0.000 fton*largeurBdF 0.436 0.006 0.025 13
19
16
N° essai
3.1 Influence du niveau
d’émergence du ton (ΔL
ton) sur la tonalité perçue
La tonalité perçue augmente lorsque le niveau d’émergence du ton augmente [Figure 5]. Cette influence est significative quelle que soit la méthode utilisée [Tableau 2]. En moyenne, lorsque ΔLton
augmente de 5 dB, les notes augmentent de 1,2 unité pour la méthode d’évaluation directe, ΔLton,ref
augmente d’environ 8 dB pour les méthodes 2AFC et d’égalisation à iso-tonalité.
Figure 5 - Influence du niveau d’émergence du ton sur la tonalité perçue
3.2 Influence de la fréquence du ton (f
ton) sur la tonalité perçue
La tonalité perçue augmente lorsque la fréquence du ton augmente [Figure 6]. Cette influence est significative quelle que soit la méthode utilisée [Tableau 2]. En moyenne, les notes augmentent de 0,7 unité pour la méthode d’évaluation directe, ΔLton,ref augmente de 3 dB pour les méthodes 2AFC et d’égalisation à iso-tonalité.
Figure 6 - Influence de la fréquence du ton sur la tonalité perçue
3.3 Influence de la largeur spectrale du bruit de fond
(largeur
BdF) sur la tonalité perçue
La tonalité perçue diminue lorsque la largeur spectrale du bruit de fond augmente [Figure 7 et 8].
Cette influence est significative quelle que soit la méthode utilisée [Tableau 2]. En moyenne, les notes diminuent de 1,3 unité pour la méthode d’évaluation directe, ΔLton,ref diminue de 9 dB pour les méthodes 2AFC et d’égalisation à iso-tonalité. Ces valeurs montrent que l'influence de la largeur spectrale du bruit de fond est aussi forte que celle du niveau d’émergence du ton pour les sons étudiés.
Figure 7 Influence de la largeur du bruit de fond sur la tonalité perçue | Méthode d’évaluation directe
Figure 8 - Influence de la largeur du bruit de fond sur la tonalité perçue | Méthode 2AFC et
d’égalisation à iso-tonalité
3.3 Interaction entre les facteurs
Les résultats issus de l’ANOVA révèlent des effets significatifs des interactions entre certains facteurs pour les méthodes 2AFC et d’égalisation, ce qui n’est pas le cas pour le méthode d’évaluation directe [Tableau 2]. Malgré une étude plus détaillée des résultats, ces interactions n’ont pas nettement été identifiées.
4 Comparaison méthodologique 4.1 Corrélation des résultats
Les valeurs moyennes de tonalité perçue sont calculées pour chaque stimulus et pour chaque méthode. Les coefficients de corrélation de Pearson sont ensuite calculés. Le plus fort coefficient de corrélation est obtenu entre les résultats de la méthode d’égalisation et de la méthode 2AFC (R=0.961, 16 degrés de liberté) [Tableau 3] [Figure 9]. Cette forte corrélation est probablement due à l’utilisation d’une échelle similaire pour ces deux méthodes. Les coefficients de corrélation sont globalement assez élevés. Cela montre que les trois méthodes donnent approximativement les mêmes résultats moyens.
Tableau 3 – Coefficients de corrélation obtenus entre les résultats des trois méthodes
R Eval.
directe Egalisation 2AFC
Eval. directe - 0.918 0.942
Egalisation 0.918 - 0.961
2AFC 0.942 0.961 -
Figure 9 – Diagramme de dispersion des résultats moyens obtenus pour les méthodes 2AFC
et d’égalisation
4.2 Durée, écart-type et kurtosis des méthodes
Les résultats issus de l’évaluation directe n’étant pas sur le même type d’échelle que les deux autres méthodes, l’ensemble des résultats des tests doit être converti sur une échelle commune avant d’être analysé. Les résultats de chaque méthode sont convertis une échelle allant de 0 à 100, en utilisant une formule simple proposée ci-dessous. Le maximum et le minimum de chaque méthode sont calculés parmi 18 sujets * 18 stimuli = 324 valeurs.
𝑟é𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑡0−100(𝑖) = 𝑟é𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑡(𝑖) − 𝑚𝑖𝑛𝑚é𝑡ℎ.
𝑚𝑎𝑥𝑚é𝑡ℎ.− 𝑚𝑖𝑛𝑚é𝑡ℎ. ∗ 100 Ensuite, l’écart-type (STD) est calculé pour chaque stimulus et pour chaque méthode, puis est par la suite moyenné sur les 18 stimuli pour chaque méthode. Les écart-types moyens des trois méthodes, ainsi que les kurtosis (α4) moyens obtenus de la même manière, sont proposés en [Figure 9].
Cette figure affiche également la durée moyenne de chaque méthode.
Eval.
directe
Egali-
sation 2AFC
Durée 4min 10min 65min
STD 17.0 18.0 14.5
α4 0.81 0.43 -0.20
Figure 10 – Comparaison des durées et de la précision des méthodes de test d’écoute 0
La méthode 2AFC est la plus longue, mais semble être la plus précise. La méthode d’évaluation directe est la plus courte, mais la moins précise (écart-type moyen et kurtosis moyen élevés). La différence entre les écart-types moyens de l’évaluation directe et de l’égalisation n’est probablement pas significative, cependant, la méthode 2AFC apparaît comme ayant un écart-type plus faible.
D’un point de vue plus général, les méthodes 2AFC et d’égalisation permettent d’obtenir des résultats sur une échelle physique (dB), ce qui facilite l’interprétation des résultats par rapport à l’utilisation d’une échelle arbitraire, comme employée pour la méthode d’évaluation directe.
Aux vues de ces éléments, la méthode d’égalisation à iso-tonalité apparaît comme celle offrant un bon compromis entre la durée du test (6,5 fois plus rapide que la méthode 2AFC), la précision des résultats, et la facilité d’interprétation des résultats.
4.3 Ressenti des participants
Après avoir passé chaque test, il a été demandé aux participants d’exprimer leur ressenti sur la tâche à effectuer.
4.3.1 Evaluation directe
La plupart des participants ont trouvé cette méthode relativement difficile, même si cette méthode est la plus rapide. La principale difficulté rencontrée a été de devoir donner une réponse sans avoir la possibilité de comparer le stimulus testé avec un autre. Trois profils de notation apparaissent :
notation autour de la moyenne,
notation sur une partie de l’échelle (partie inférieure ou supérieure uniquement),
notation sur l’ensemble de l’échelle.
Ces différents profils peuvent expliquer le kurtosis moyen élevé de la méthode d’évaluation directe (distribution à queue « lourde »/« épaisse »).
4.3.2 Egalisation
La plupart des participants ont affirmé que cette méthode est facile à prendre en main, et ont également confirmé qu’il est plus facile d’évaluer un stimulus lorsqu’il est possible de le comparer à un autre. La principale difficulté rencontrée a été d’égaliser deux sons ne possédant pas le même bruit de fond. Cette méthode est la méthode préférée par les participants.
4.3.3 Deux-AFC
Tous les participants ont trouvé la méthode 2AFC fatigante et difficile. Premièrement, cette méthode est assez longue (plus d’une heure en moyenne). Deuxièmement, il a été très difficile pour
certain participant de sélectionner le son le plus tonal lorsque les deux sons proposés possédaient la même tonalité perçue. Il est possible que certains d’entre eux aient été « frustrés » à cause de cet élément.
5 Comparaison des indicateurs de tonalité
Un but de cette étude est de se demander si les indicateurs de tonalité (ci-après) tiennent compte de l'influence de la largeur spectrale du bruit de fond :
valeur maximum du Prominence Ratio (PR) et du Tone-to-Noise Ratio (TNR) [16],
“Mean Difference” de la norme DIN45681 [19],
“Tonal Audibility” de l’annexe C de la norme ISO1996-2 [20],
modèle de tonalité d’Aures (moyenné au cours du temps) [21].
Neuf stimuli sont comparés : 3 fréquences (600, 1200 et 2400Hz), et 3 largeurs spectrales de bruit de fond (2, 4 et 8 Barks). Le niveau d’émergence du ton est fixé à 10 dB. Ces stimuli ont une durée de 60 secondes (durée minimum requise par la norme ISO 1996-2). Les résultats obtenus pour fton = 1200Hz sont proposés en [Figure 10] (les résultats obtenus pour fton = 600 et 2400Hz sont similaires).
Figure 11 - Comparaison des indicateurs de tonalité, fton = 1200Hz, ΔLton = 10dB
D’après les résultats des tests d’écoute, la tonalité perçue diminue lorsque la largeur spectrale du bruit de fond augmente [Figure 7].
Les indicateurs ISO1996, DIN45681 et TNR ne tiennent pas compte de cette influence.
Etant donné que le PR calcule le rapport d’énergie entre la bande critique du ton et les deux bandes critiques adjacentes, il apparaît logique que la valeur du PR soit plus grande quand le bruit est constitué de deux bandes critiques. A partir d’une largeur de trois bandes critiques, le PR reste constant (toute chose égale par ailleurs).
Le modèle de tonalité d’Aures est le seul indicateur tenant compte de l’influence de la largeur spectrale du bruit de fond. En effet, cet indicateur applique une pondération basée sur la sonie relative du ton et du bruit en tenant compte de l’ensemble du spectre.
Conclusion
Lors de cette étude, trois méthodes de test d’écoute (évaluation directe, 2AFC 1down/1up et égalisation à iso-tonalité) ont été mises en place dans le but d’étudier l’influence de la largeur spectrale du bruit de fond sur la tonalité perçue.
Dix-huit stimuli ont été évalués par 18 participants pour chaque méthode.
Les résultats perceptifs concernant l’influence du niveau d’émergence du ton et de la fréquence du ton sont analogues à ceux de la littérature : la tonalité perçue augmente en fonction du niveau d’émergence et de la fréquence du ton.
Il apparaît que la largeur spectrale du bruit de fond a une influence sur la tonalité perçue. La tonalité perçue diminue lorsque la largeur spectrale du bruit de fond augmente.
Les trois méthodes de test d’écoute donnent des résultats similaires. La méthode d’égalisation à iso-tonalité semble offrir le meilleur compromis entre la durée du test, la précision et la facilité d’interprétation des résultats, et le ressenti des participants.
Parmi les indicateurs de tonalité étudiés (PR, TNR, ISO1996, DIN45681 et le modèle d’Aures), le modèle d’Aures est le seul qui tienne compte de l’influence de la largeur spectrale du bruit de fond.
Cette étude suggère que la tonalité soit estimée par un indicateur basé sur la sonie relative du contenu tonal et du bruit. Certains indicateurs non normalisés ont été testés en ce sens dans la littérature. De nouveaux tests d’écoute et de nouvelles méthodes de calcul seront mis en place afin d’améliorer l’estimation de la tonalité perçue.
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