2. la numérisation, le son numérique

Le son numérique acquisition de tension, numérisation de signaux sonore
But :
- utilisation du logiciel Synchronie et de la carte d'acquisition SYSAM,
qui permettent l'acquisition, le traitement et l'analyse numérique de
données expérimentales.
- comprendre ce qu'est le son numérique Table des matières :
I - Principes de l'acquisition numérique
1) définition
2) exercices
II - Utilisation d'une interface, et d'un logiciel d'acquisition
1) interface SYSAM et logiciel synchronie
2) Acquisition d'une tension
3) réglage des paramètres d'acquisition de temps
4) Le déclenchement
III) Le pas de quantification
1) Rôle du CAN (convertisseur analogique numérique)
2) pas de quantification
IV) Role de la fréquence d'échantillonnage Fe
1) Expérience
2) Conclusion :
V) Applications (en acoustique) :
1) logiciel audacity
2) grand concours de sifflement
3) importance de la fréquence et du format d'échantillonage (nombre de
bits) I - Principes de l'acquisition numérique
1) définition
L'acquisition numérique d'un signal analogique dépendant du temps U(t) se
décompose en deux étapes :
- l'échantillonnage : le signal est « haché » régulièrement dans le temps,
l'intervalle de temps entre deux valeurs numérisées est la durée
d'échantillonnage dt. On prélève pendant la durée totale d'acquisition un
nombre fini N de valeurs de U(t), avec une fréquence d'échantillonnage Fe =
1/dt = N /.
- la numérisation : chaque échantillon de U(t) est converti en une grandeur
numérique par un dispositif électronique appelé Convertisseur Analogique
Numérique (CAN). 2) exercices
Q1 déterminer la période T de la tension ci dessus. Déterminer le nombre N
de points d'acquisition. En déduire la durée dt d'échantillonnage. Calculer
la durée totale d'acquisition, et vérifier que la valeur obtenue est
identique à celle du graphe.
Q2 Calculer la fréquence d'échantillonnage Fe.
Q3 comment s'appelle l'appareil permettant de transformer une grandeur
analogique en grandeur numérique ? II - Utilisation d'une interface, et d'un logiciel d'acquisition
1) interface SYSAM et logiciel synchronie
Une interface informatique est en général à la fois un CAN (elle possède
des entrées permettant de mesurer des tensions) et un CNA : convertisseur
numérique analogique (elle possède une ou des sorties permettant de
générer des tensions). Elle est associée à un logiciel qui permet de
piloter les entrées (acquisition de données), les sorties (génération de
signaux), mais aussi souvent de traiter les données (tableur, feuille de
calcul, fenêtres graphiques, ...). Dans ce TP, on utilisera le matériel de
la marque EUROSMART : interface SYSAM (version PCI ou SP5) et le logiciel
d'acquisition et de traitement de données SYNCHRONIE. 2) Acquisition d'une tension
Dans de nombreuses expériences, vous pourrez utiliser l'interface et
l'ordinateur comme un oscillo numérique à mémoire, permettant d'acquérir et
de stocker des données (tension en fonction du temps) pour ensuite les
traiter à l'aide d'un logiciel. Pour apprendre à manipuler l'interface et
le logiciel, on commence ici par un exemple très simple : l'acquisition de
la tension de sortie d'un générateur basse fréquence (GBF). Régler les
caractéristiques suivantes pour la tension avec un oscilloscope:
Forme : sinusoïdale
Umax = 1V ; Umin = -1V ; f = 100 Hz
Envoyez ce signal sur EA0 (= entrée analogique 0 : relier la masse du GBF
avec la masse de l'oscillo et la borne rouge du GBF sur la voie EAO de la
carte d'acquisition. Q4 Calculer la période T de la tension 3) réglage des paramètres d'acquisition de temps
Cliquer sur paramètres, entrée 0, automatique
Vous devez toujours régler 2 des trois paramètres suivants, synchronie
calculant le troisième automatiquement
- la durée d'échantillonnage dt
- le nombre de points N
- la durée totale d'acquisition Exemple :
Q5
Quelle est la durée totale d'acquisition sachant qu'il faut visualiser au
moins 2 périodes à l'écran ?
Sachant qu'il faut au moins 100 points d'acquisition par période T pour que
la tension numérisée soit la plus proche possible de la tension analogique,
combien faut-il de points de mesure ? En déduire la durée d'échantillonnage
ainsi que la fréquence d'échantillonnage Fe. Q6 Quelle est la relation entre la fréquence d'échantillonnage et la
fréquence de la tension à numériser ? Q7 Régler les paramètres d'acquisition temporels, clique sur paramètres
puis acquis puis entre les valeurs que tu as calculées. 4) Le déclenchement
Régler le déclenchement permet de faire démarrer le signal à gauche de
l'écran à partir d'une valeur numérique toujours identique. Cette valeur
est appelée tension de déclenchement.
Exemple : clique sur paramètre, déclenchement, voie 0, niveau 0, sens
montant. Dès que la tension du GBF devient supérieure à 0 V l'acquisition
démarre. Appuyer sur la touche F10 et observer le signal. Recommencer
l'acquisition en utilisant le sens descendant puis en modifiant la valeur
de déclenchement.
Q8 Essayer avec une valeur de déclenchement supérieure à la valeur maximale
Umax = 1V. Que se passe-t-il ? Pourquoi ? III) Le pas de quantification
1) Rôle du CAN (convertisseur analogique numérique)
La tension numérisée c'est à dire transformé en O ou 1 va être stockée dans
l'ordinateur. Chaque échantillon de tension en volt est « pesé », tout
comme un aliment, afin d'en déterminer son poids. En numérique, ce pesage
est appelé quantification. Il s'effectue, pour reprendre une analogie
mécanique, à l'aide d'une balance à deux plateaux : dans un des plateaux se
trouve l'échantillon à peser, dans l'autre les poids nécessaires pour
trouver l'équilibre. La précision du pesage dépend donc de la valeur du
plus petit poids disponible. Pour les signaux sonores (ou vidéo), le poids
de l'échantillon est la tension du signal électrique à numériser et la
balance un quantificateur. Cependant, la quantification ne peut pas
représenter parfaitement la tension de l'échantillon du signal analogique
d'origine. En effet, un signal analogique (représenté par un nombre réel)
peut prendre une infinité de valeurs, or il va être converti en un signal
formé d'un nombre fini de valeurs numériques « N » dont chacune est codée
sur « n » bits (c'est-à-dire sous forme d'un nombre entier dont la valeur
maximale est limitée). Il y aura donc nécessairement, après quantification,
une erreur d'arrondi. La précision du signal converti sera donc liée au
nombre de valeurs disponibles pour traduire chaque échantillon.
Exemple : Si la tension est stockée numériquement sur 8 bits il existe 28
valeurs de tension numérique suivante. Si la plage de tension convertible
en numérique est de 24 V la plus petite valeur convertible est :
24/28 = 93,75 mV 2) pas de quantification
Le CAN est caractérisé par un calibre [Vmin , Vmax] (intervalle de tension
convertible) et un nombre de bits n (l'intervalle [Vmin , Vmax] est découpé
en 2n valeurs numériques différentes) dont dépend la précision de
conversion. Le saut entre deux valeurs numériques consécutives est ?V =
(Vmax-Vmin)/2n est appelé pas de quantification noté ' q '. À chaque
instant « t », la valeur de tension du signal se trouvant à l'intérieur
d'un échelon est remplacée par la valeur de l'échelon le plus proche. On
comprend aisément que plus les pas de quantification sont petits, plus ils
sont nombreux sur une plage donnée et donc que plus la précision du signal
quantifié est importante.
Q9 A l'aide de la loupe grossissez le haut de la sinusoïde et, à l'aide du
réticule, déterminer le pas de quantification. IV) Rôle de la fréquence d'échantillonnage Fe
1) Expérience
Faites l'acquisition du signal sinusoïdal en fixant la durée totale à 20
ms et en diminuant le nombre de point. Remplir le tableau suivant. Veillez
à ce que la durée totale soit toujours réglée à 20 ms pour voir 2 périodes. |N(nombre de |100 |80 |50 |20 |10 |5 |
|points) | | | | | | |
|Durée | | | | | | |
|d'échantillonn| | | | | | |
|age dt | | | | | | |
|Fréquence | | | | | | |
|d'échantillonn| | | | | | |
|age Fe =1/dt | | | | | | |
|tension | | | | | | |
|numérisée | | | | | | |
|semblable à la| | | | | | |
|tension | | | | | | |
|analogique (en| | | | | | |
|fréquence et | | | | | | |
|forme) ? (oui | | | | | | |
|ou non) | | | | | | | 2) Conclusion :
Q9 Quelle règle faut-il retenir pour que l'échantillonnage d'un signal soit
correct ? V) Applications (en acoustique) : 1) logiciel audacity
Ce logiciel permet d'enregistrer un son puis de le numériser avec la
fréquence d'échantillonnage et le nombre de bits réglables. Réglage préalable : ouvrir le logiciel, édition préférence puis régler les
valeurs comme suit. Refermer le logiciel puis le rouvrir pour que les
réglages soient validés.
Q10 quelle est la fréquence d'échantillonnage du son ? En déduire la durée
d'échantillonnage.
Q11 Sur combien de bits le son est t-il numérisé ?
Q12 Calculer le nombre possible de valeurs de tension acquises.
Q13 Sachant que la plage de tension que l'on peut numériser est 24 V,
calculer le pas de quantification. 2) grand concours de sifflement
Vous aller enregistrer le sifflement le plus grave et le plus aigue
possible. Appuyer sur le bouton enregistrement puis émettre le sifflement
le plus grave. Découper la partie de signal dont l'amplitude est à peu près
constante. Agrandir l'échelle horizontale avec la loupe +
Puis l'échelle verticale en positionnant la souris sur l'échelle verticale.
Agrandissez suffisamment les 2 échelles jusqu'à obtenir une courbe
similaire à celle ci.
Q14 Le signal obtenu est-il périodique ? Quelle conclusion en tirez-vous
sur le son ? Q15 Sélectionner 10 périodes, les instants correspondant s'affichent en bas
de votre écran. Noter l''nstant initiale ti l'instant final tf : tf-ti =
10.T. Ga