D11 Analyse spectrale des signaux acoustiques sous-marins

Topique

L'analyse spectrale des signaux acoustiques sous-marins caractérise le contenu fréquentiel des sons produits par les poissons (leurs vocalisations, la stridulation de certaines structures corporelles, la résonance de la vessie natatoire), ainsi que le bruit ambiant présent en eau douce ou marine. Elle fournit des outils pour identifier l'espèce émettrice d'un son, évaluer le comportement reproducteur des poissons et détecter l'impact des nuisances sonores anthropiques. L'acoustique sous-marine repose sur le même principe physique que l'acoustique aérienne (propagation longitudinale des ondes de pression dans le fluide), mais avec des différences importantes : le son se propage dans l'eau beaucoup plus rapidement que dans l'air (près de 1 500 mètres par seconde contre 340 mètres par seconde dans l'air), l'eau est un milieu beaucoup plus dense et elle ne présente aucune interface sans réflexion où le son pourrait se dissiper sans rebondir.

Pour analyser ces sons, l'analyse spectrale transforme le signal de pression acoustique enregistré dans le domaine fréquentiel à l'aide de la transformée de Fourier discrète ou de sa version plus rapide, la transformée de Fourier rapide. Le résultat de cette transformation est la densité spectrale de puissance du signal, qui décrit la répartition de la puissance totale du signal entre ses fréquences constitutives.

Pour les vocalisations des poissons, généralement de courtes impulsions dont les fréquences se situent entre cent et mille hertz, au lieu de calculer une seule densité spectrale de puissance pour l'ensemble de l'enregistrement, on calcule un spectrogramme. Ce spectrogramme est obtenu par une transformée de Fourier à court terme, répétée sur des fenêtres successives tout au long de l'enregistrement. Il révèle l'évolution du contenu fréquentiel au cours du temps, permettant ainsi d'identifier chaque impulsion de vocalisation, sa fréquence fondamentale, ses harmoniques et la structure temporelle complète de cette vocalisation.

Outre la description des fréquences auxquelles un son se produit, l'analyse spectrale fournit deux indicateurs standard pour quantifier son intensité : le niveau de pression acoustique, qui mesure l'intensité instantanée du signal, et le niveau d'exposition sonore, qui intègre cette intensité sur toute la durée d'exposition. Lorsqu'on utilise plusieurs hydrophones, la fonction de cohérence entre chaque paire d'hydrophones du réseau permet également d'estimer la direction d'arrivée d'un signal acoustique, grâce au principe de formation de faisceaux. Ce principe combine, avec des pondérations variables, les signaux captés par les différents hydrophones du réseau afin d'orienter ce dernier dans différentes directions spatiales et ainsi détecter l'origine de chaque source sonore.

Le comportement attendu du bruit de fond océanique est que sa densité spectrale de puissance suit le spectre de Wenz, qui décroît rapidement, d'environ vingt décibels par décade de fréquence, aussi bien pour le bruit d'origine humaine que biologique. Sur ce fond décroissant, les vocalisations des poissons sont détectées précisément comme des pics spectraux qui le dépassent. Ces pics, après l'analyse spectrale décrite au début de ce modèle, permettent d'identifier les espèces qui les ont émises.

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