Illusion auditive de Shepard
Analyse de l'illusion sonore de Shepard.
Description détaillée
En analysant le spectre et le spectrogramme d'un son de Shepard, l'élève découvre l'écart entre la réalité physique d'un signal sonore (des fréquences bornées, espacées d'une octave) et sa perception (une montée sans fin), et comprend que l'audition est une construction du cerveau autant qu'une mesure. L'application FizziQ permet de visualiser en direct, au microphone du smartphone, le spectre de fréquence et le spectrogramme du son rejoué, et de consigner observations et capture d'écran dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Identifier une illusion auditive basée sur la perception des hauteurs sonores
- Observer un spectre de fréquences à l’aide d’un analyseur sonore
- Comprendre la superposition de plusieurs ondes sonores
- Relier perception auditive et structure physique d’un signal sonore
- Interpréter un spectrogramme représentant l’évolution des fréquences
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Analyseur de spectre sonore
- Spectrogramme
Capteurs
- Microphone
Fonctionnalités FizziQ
- Bibliothèque de sons — Lecture de l'enregistrement 'Shepard' rejoué près du microphone pour l'analyser.
- Cahier d'expérience — Consignation des observations, d'une capture du spectrogramme et de l'explication du phénomène.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec l'application FizziQ
- Enregistrement 'Shepard' de la bibliothèque de sons
- Écouteurs (recommandés) pour une meilleure perception
- Cahier d'expérience FizziQ
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'analyse spectrale sonore.
Protocole expérimental
As-tu déjà entendu un son qui semble monter sans fin, sans jamais devenir plus aigu ? C'est l'illusion de Shepard. Nous allons l'analyser.
Dans FizziQ, ouvre la bibliothèque de sons et lance l'enregistrement Shepard. Écoute-le au casque : quelle impression te donne-t-il ? Semble-t-il monter indéfiniment ?
Sélectionne l'instrument Spectre de fréquence (ou Spectrogramme) dans FizziQ. Fais rejouer le son de Shepard près du micro.
Observe le spectre : combien de fréquences distinctes vois-tu simultanément ? Sont-elles espacées régulièrement ? (Elles devraient être séparées d'octaves, soit un rapport 2 entre elles.)
Passe en mode Spectrogramme pour voir l'évolution dans le temps. Décris ce que tu observes : les bandes montent-elles ? Que se passe-t-il pour les bandes les plus aiguës ? Et en bas du spectre ?
Explique avec tes mots pourquoi l'oreille perçoit une montée infinie alors que les fréquences restent dans une plage limitée. Qu'est-ce qui apparaît en bas quand une composante disparaît en haut ?
Documente tes observations, une capture du spectrogramme et ton explication dans le cahier d'expérience.
Résultats attendus
L’écoute du son donne l’impression d’une montée continue infinie des hauteurs sonores. Pourtant, l’analyse spectrale révèle plusieurs fréquences présentes simultanément. Ces fréquences sont espacées d’un facteur constant correspondant à des octaves. Sur le spectrogramme, des bandes parallèles apparaissent et se déplacent progressivement vers des fréquences plus élevées. Lorsque certaines composantes deviennent trop aiguës, elles disparaissent progressivement tandis que de nouvelles composantes graves apparaissent. Ce cycle se répète régulièrement. Des variations mineures peuvent apparaître selon la qualité du microphone ou des écouteurs utilisés.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi l’oreille perçoit-elle une montée infinie alors que les fréquences restent limitées ?
- Quel rôle joue la superposition des sons dans la création de l’illusion ?
- Pourquoi les sons séparés d’une octave sont-ils perçus comme similaires ?
- Comment l’analyse spectrale permet-elle de révéler la structure réelle du son ?
- Quelles autres illusions auditives reposent sur des principes similaires ?
Explications scientifiques
L'effet Shepard, découvert par Roger Shepard en 1964, est une illusion auditive fascinante où l'auditeur perçoit un son qui semble monter ou descendre indéfiniment sans jamais atteindre une limite. Ce paradoxal « escalier de Penrose acoustique » repose sur une ingénieuse superposition de sons sinusoïdaux espacés d'une octave. L'amplitude de chaque composante est imposée par une enveloppe spectrale fixe en forme de cloche : maximale dans le médium, elle s'atténue vers les graves et vers les aigus. Quand toutes les composantes montent (par paliers dans la gamme de Shepard originale, continûment dans le glissando de Shepard-Risset), celles qui atteignent les hautes fréquences s'éteignent en fondu tandis que de nouvelles composantes graves apparaissent, si bien que le spectre global reste identique à lui-même à chaque cycle. L'oreille, qui juge deux sons séparés d'une octave comme très similaires (on parle d'équivalence d'octave), suit la montée locale des composantes sans détecter le bouclage : elle perçoit une montée globale continue. Cette illusion révèle que notre perception auditive n'est pas un simple enregistrement physique, mais une construction cognitive influencée par le contexte et les attentes.
Pour aller plus loin : l'article Wikipédia Gamme de Shepard et l'article illustré de Nicolas Titeux Illusions auditives : la gamme de Shepard et Risset montrent notamment l'usage de cet effet par Hans Zimmer dans Dunkerque.
Extensions possibles
- Comparer l’effet Shepard avec un son simple constitué d’une seule fréquence.
- Analyser une version descendante du son de Shepard.
- Étudier un glissando continu (Shepard-Risset) pour observer une variation continue des fréquences.
- Créer un son composé de plusieurs fréquences avec un générateur sonore.
- Comparer les spectres obtenus avec et sans écouteurs.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que les illusions auditives ?
Les illusions auditives sont des perceptions sonores qui diffèrent de la réalité physique. L'effet Shepard, découvert par Roger Shepard en 1964, est une illusion auditive fascinante où l'auditeur perçoit un son qui semble monter ou descendre indéfiniment sans jamais atteindre une limite.
Comment fonctionne l'analyse spectrale de FizziQ ?
FizziQ décompose le son capté par le microphone en ses fréquences composantes grâce à une transformée de Fourier rapide (FFT). Le spectre affiché montre l'amplitude de chaque fréquence, permettant d'identifier les harmoniques et la fréquence fondamentale.
Quelles sont les principales sources d'erreur ou limites de cette expérience ?
Les limites incluent la qualité audio de la source (haut-parleur ou écouteurs qui restituent mal les extrêmes graves et aigus), la bande passante et la résolution fréquentielle du microphone et de la FFT, le bruit ambiant qui masque les composantes les plus faibles, et les différences individuelles de perception auditive : l'intensité de l'illusion varie d'une personne à l'autre.
Cette activité fait partie de nos ressources sur le son. Pour approfondir la mesure et l'analyse du son (oscillogramme, spectre, spectrogramme, décibels) et retrouver les douze expériences, consultez notre guide complet pour mesurer et analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.