Timing cues for azimuthal sound source localization

par Victor Benichoux

Thèse de doctorat en Neurosciences computationnelles

Sous la direction de Romain Brette.

Soutenue le 25-11-2013

à Paris 5 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) .

Le président du jury était Alain Destexhe.

Le jury était composé de Romain Brette, Alain Destexhe, Steve Colburn, Daniel J. Tollin, Alan R. Palmer, Frédéric Alexandre, Jean-Pierre Nadal.

Les rapporteurs étaient Steve Colburn, Daniel J. Tollin.

  • Titre traduit

    Indices temporels pour la localisation des sources sonores en azimuth


  • Résumé

    La localisation des sources en azimuth repose sur le traitement des différences de temps d'arrivée des sons à chacune des oreilles: les différences interaurales de temps (``Interaural Time Differences'' (ITD)). Pour certaines espèces, il a été montré que cet indice dépendait du spectre du signal émis par la source. Pourtant, cette variation est souvent ignorée, les humains et les animaux étant supposés ne pas y être sensibles. Le but de cette thèse est d'étudier cette dépendance en utilisant des méthodes acoustiques, puis d'en explorer les conséquences tant au niveau électrophysiologique qu'au niveau de la psychophysique humaine. A la proximité de sphères rigides, le champ sonore est diffracté, ce qui donne lieu à des régimes de propagation de l'onde sonore différents selon la fréquence. En conséquence, quand la tête d'un animal est modélisée par une sphère rigide, l'ITD pour une position donnée dépend de la fréquence. Je montre que cet effet est reflété dans les indices humains en analysant des enregistrements acoustiques pour de nombreux sujets. De plus, j'explique cet effet à deux échelles: localement en fréquence, la variation de l'ITD donne lieu à différents délais interauraux dans l'enveloppe et la structure fine des signaux qui atteignent les oreilles. Deuxièmement, l'ITD de sons basses-fréquences est généralement plus grand que celui pour des sons hautes-fréquences venant de la même position. Dans une seconde partie, je discute l'état de l'art sur le système binaural sensible à l'ITD chez les mammifères. J'expose que l'hétérogénéité des réponses de ces neurones est prédite lorsque l'on fait l'hypothèse que les cellules encodent des ITDs variables avec la fréquence. De plus, je discute comment ces cellules peuvent être sensibles à une position dans l'espace, quel que soit le spectre du signal émis par la source. De manière générale, j'argumente que les données disponibles chez les mammifères sont en adéquation avec l'hypothèse de cellules sélectives à une position dans l'espace. Enfin, j'explore l'impact de la dépendance en fréquence de l'ITD sur le comportement humain, en utilisant des techniques psychoacoustiques. Les sujets doivent faire correspondre la position latérale de deux sons qui n'ont pas le même spectre. Les résultats suggèrent que les humains perçoivent des sons avec différents spectres à la même position lorsqu'ils ont des ITDs différents, comme prédit part des enregistrements acoustiques. De plus, cet effet est prédit par un modèle sphérique de la tête du sujet. En combinant des approches de différents domaines, je montre que le système binaural est remarquablement adapté aux indices disponibles dans son environnement. Cette stratégie de localisation des sources utilisée par les animaux peut être d'une grande inspiration dans le développement de systèmes robotiques.


  • Résumé

    Azimuth sound localization in many animals relies on the processing of differences in time-of-arrival of the low-frequency sounds at both ears: the interaural time differences (ITD). It was observed in some species that this cue depends on the spectrum of the signal emitted by the source. Yet, this variation is often discarded, as humans and animals are assumed to be insensitive to it. The purpose of this thesis is to assess this dependency using acoustical techniques, and explore the consequences of this additional complexity on the neurophysiology and psychophysics of sound localization. In the vicinity of rigid spheres, a sound field is diffracted, leading to frequency-dependent wave propagation regimes. Therefore, when the head is modeled as a rigid sphere, the ITD for a given position is a frequency-dependent quantity. I show that this is indeed reflected on human ITDs by studying acoustical recordings for a large number of human and animal subjects. Furthermore, I explain the effect of this variation at two scales. Locally in frequency the ITD introduces different envelope and fine structure delays in the signals reaching the ears. Second the ITD for low-frequency sounds is generally bigger than for high frequency sounds coming from the same position. In a second part, I introduce and discuss the current views on the binaural ITD-sensitive system in mammals. I expose that the heterogenous responses of such cells are well predicted when it is assumed that they are tuned to frequency-dependent ITDs. Furthermore, I discuss how those cells can be made to be tuned to a particular position in space irregardless of the frequency content of the stimulus. Overall, I argue that current data in mammals is consistent with the hypothesis that cells are tuned to a single position in space. Finally, I explore the impact of the frequency-dependence of ITD on human behavior, using psychoacoustical techniques. Subjects are asked to match the lateral position of sounds presented with different frequency content. Those results suggest that humans perceive sounds with different frequency contents at the same position provided that they have different ITDs, as predicted from acoustical data. The extent to which this occurs is well predicted by a spherical model of the head. Combining approaches from different fields, I show that the binaural system is remarkably adapted to the cues available in its environment. This processing strategy used by animals can be of great inspiration to the design of robotic systems.


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