La définition de Psychophysique

La psychophysique est une discipline qui étudie les relations quantitatives entre les stimulations physiques et les sensations, ou plus généralement les réponses, qu'elles engendrent.

L'histoire de la psychophysique

La psychophysique a été inventée par Gustav Fechner. Elle s'est initialement donné pour objet d'élucider les relations existant entre des mesures de sensation et des mesures des stimulus physiques. En ce sens, elle est une sensorimétrie. Elle constitue un paradigme dont le thème est que l'organisme, en particulier au moyen de ses systèmes sensoriels, fonctionne comme un instrument de mesure dans l'analyse des informations qu'il traite.
Cette discipline s'est développée par l'application des méthodes de mesure de physique expérimentale à la mesure des événements sensoriels. Son fondement est donc celui d'une théorie de la mesure. Par mesure, on entend ici l'attribution de nombres, et plus généralement de relations mathématiques, aux événements de manière que les relations entre les nombres représentent les relations entre les objets ou les événements mesurés. Ainsi, le problème fondamental de la psychophysique est celui de la mesure, de sa signification et de sa validité.

Une théorie de la mesure

La psychophysique a représenté un terrain de choix pour la psychologie mathématique. Aussi, des théories axiomatiques du comportement de mesure ont été proposées. Elles permettent de clarifier les fondements d'une théorie de la mesure en psychophysique. Ces formalisations définissent les limites dans lesquelles les procédures psychophysiques peuvent être représentées par des relations mathématiques.
Une théorie psychophysique est alors conçue comme une liste d'axiomes qui se prêtent à une validation empirique. En effet, on oublie trop souvent que les échelles physiques de mesure sont elles aussi arbitraires. Par ailleurs, il existe des procédures alternatives de mesure dont il importe de connaître les propriétés pour en faire un usage adéquat.

Le traitement de l'information en tant que paradigme psychophysique

Une approche en termes de processus de traitement de l'information conduit à clarifier de nombreuses questions qui se posent en psychophysique. L'individu n'est plus conçu comme un simple instrument de mesure dont les réponses reflètent directement les sensations que l'on cherche à évaluer. Afin de produire ces réponses, l'observateur met en œuvre des opérations mentales pour élaborer les informations extraites de la stimulation par ses systèmes sensoriels, pour les identifier et les communiquer en respectant des règles imposées par la consigne.
Selon cette conception, on admet que l'individu devra choisir une stratégie dans le but d'optimiser son comportement par rapport à une situation externe, compte tenu de ses limitations internes. Autrement dit, la performance (les réponses observées) résulte de deux ordres de facteurs:

Les facteurs qui reflètent les limitations internes de l'organisme (par exemple, sa sensibilité).
Les facteurs d'ordre plus cognitif. Ils résultent des représentations que l'individu se fait de sa tâche, des stratégies qu'il adopte pour la réaliser en tenant compte de ses connaissances, de sa familiarité avec les stimulus, des attentes générées par les événements survenus antérieurement dans la situation, etc...

Cette conception, introduite par Franciscus Donders, en 1868, pour les tâches de temps de réaction, s'applique aussi aux situations de détection, de discrimination et d'identification comme l'illustre le modèle de la détection du signal. Une place importante est alors accordée à l'élucidation des stratégies de décision dont peuvent témoigner les performances du sujet. Il y a stratégie de décision parce que l'information à traiter est partielle, imprécise ou incertaine. Dans une tâche de temps de réaction de choix, la stratégie des individus se révélera par les choix qu'ils ont faits entre les deux termes du conflit: rapidité ou précision.
Par ailleurs, des biais peuvent affecter les réponses observées, qui ne reflètent pas directement, et surtout pas uniquement, les caractéristiques des traitements de l'information entrante. Elles reflètent également l'effet de tous les facteurs qui interviennent lors de leur élaboration.

Les méthodes psychophysiques

Méthodologiquement, on peut distinguer deux grandes classes d'approches psychophysiques:

Les méthodes fondées sur des méthodes fréquentielles.
Les méthodes fondées sur les méthodes de temps de réaction.

Les premières se divisent en deux classes principales: les méthodes de seuil et les échelles psychophysiques.

Les méthodes de seuil

Les méthodes de seuil s'appliquent à trois ordres de tâches mettant en jeu certains mécanismes sensoriels communs et des mécanismes d'élaboration des réponses différents:

La détection: la première fonction d'un système sensoriel est de détecter la présence d'un changement d'énergie dans l'environnement. Il peut s'agir d'énergie électromagnétique (la lumière), mécanique (un son, le toucher, un mouvement, une tension musculaire), chimique (les odeurs, les goûts) ou thermique. Le problème de la détection est celui de la détermination de la quantité de stimulation nécessaire pour activer des récepteurs sensoriels et permettre à l'observateur de conclure à la présence d'une stimulation. Le seuil de détection (ou seuil absolu) est donc la limite définie statistiquement entre les valeurs non perçues et perçues du stimulus. Cette limite n'a pas une valeur constante d'un essai à l'autre. Elle devra donc être estimée à partir d'une distribution de réponses. Les différentes méthodes de mesure des seuils ont pour objectif d'obtenir de telles distributions de réponses.
La méthode des limites consiste à présenter au cours d'essais successifs soit des niveaux croissants (série ascendante), soit des niveaux décroissants (série descendante) du stimulus. À chaque essai, l'individu doit indiquer si oui ou non le stimulus est présent. Les niveaux du stimulus auxquels correspondent les changements de réponse constituent des seuils instantanés. Le seuil est alors la moyenne de ces seuils instantanés.
Dans la méthode d'ajustement, c'est l'individu lui-même qui fait varier les niveaux du stimulus jusqu'à obtenir un niveau juste perceptible ou juste non perceptible. Dans ces deux méthodes, on ne connaît pas la probabilité à laquelle correspond le seuil estimé et la présentation ordonnée des niveaux du stimulus conduit à des biais systématiques.
La méthode constante consiste à choisir quelques niveaux du stimulus dans la zone du seuil et à les présenter dans un ordre au hasard au cours d'essais successifs. On observe alors que la fréquence des réponses oui augmente avec le niveau du stimulus selon une courbe en forme de S. On appelle fonction psychométrique la relation entre la probabilité de détection et la valeur des stimulus. Cette fonction, croissante avec l'augmentation d'intensité du stimulus, est décrite soit comme une fonction normale cumulée, soit comme une fonction logistique. Le seuil de détection correspond à la moyenne de cette fonction, c'est-à-dire au niveau du stimulus détecté dans 50% des essais. Dans le cas où la méthode constante est combinée avec une procédure de choix forcé, le seuil correspondra à 75% de détections correctes. C'est la seule méthode cohérente avec les modèles de seuils.
Dans les méthodes adaptatives, on adopte une règle dépendante pour la présentation des niveaux du stimulus. La règle de dépendance peut être simple et consister à inverser le sens de variation chaque fois que l'individu change sa réponse, ou bien plus complexe et prendre en compte les essais précédents à partir desquels la valeur la plus vraisemblable du seuil est estimée. Ces méthodes sont conçues pour faire converger la mesure vers le seuil.
La discrimination: la seconde fonction d'un système sensoriel porte sur la discrimination, c'est-à-dire sur la distinction de deux niveaux d'énergie de la même stimulation. Il s'agit alors de déterminer la différence entre ces niveaux juste nécessaire pour activer différentiellement le système sensoriel et permettre à l'observateur de conclure à la présence d'une différence.
Les mêmes méthodes que pour les seuils de détection sont applicables ici. Cependant, à chaque essai, on présente à l'individu deux niveaux du stimulus, l'un désigné comme étalon et qui reste constant d'essai en essai et l'autre comme stimulus variable de comparaison. La tâche du sujet est alors de dire si, par exemple, le stimulus de comparaison est plus grand ou plus petit que le stimulus étalon. Par définition, les stimulus sont supraliminaires, c'est-à-dire ont des intensités supérieures à leurs seuils de détection. Le seuil différentiel qui estime la capacité discriminative correspond à la différence entre la valeur de l'étalon et celle du stimulus variable dont le sens, plus grand ou plus petit, est jugé correctement dans 75% des essais.
L'identification: la troisième fonction d'un système sensoriel consiste à identifier, à reconnaître, un aspect qualitatif de la stimulation. Il s'agit de permettre à l'observateur de catégoriser une ou plusieurs dimensions du stimulus, voire de dénommer le référent-objet de ce stimulus. Au seuil de détection, certaines caractéristiques du stimulus sont identifiables comme le caractère grave ou aigu d'un son, l'orientation d'un réseau de fréquence spatiale.
Mais, pour un stimulus complexe, certaines caractéristiques indispensables à l'identification du référent-objet du stimulus resteront infraliminaires et celui-ci ne pourra par conséquent être dénommé par exemple. Dans ces cas, on utilise souvent une mesure de seuil temporel d'identification. L'intensité du stimulus est à un niveau qui serait supraliminaire si sa durée de présentation était longue. On cherche alors la durée pour laquelle une identification (une dénomination) est possible avec une certaine probabilité.

Les échelles psychophysiques

Elles ont pour objet de décrire la relation entre une mesure de la sensation et des niveaux du stimulus. Chacune des classes de méthodes d'échelonnage est liée à un modèle psychophysique de la relation entre sensation et intensité stimulatrice:

Les échelles de discrimination: elles comprennent les échelles de Fechner et les échelles de Thurstone correspondant à la loi du jugement comparatif. Chacune fait appel à une classe de méthode. Les méthodes de mesure du seuil différentiel permettent de déterminer les différences justes perceptibles, dont l'intégration conduit à l'obtention d'une échelle fechnérienne.
La théorie de Thurstone suppose qu'à chaque présentation d'un stimulus correspond un point d'une échelle psychologique. La localisation de ce point est déterminée par un processus discriminatif. Les fluctuations de réponse correspondent au fait qu'à chaque essai un même niveau n'active pas le même processus discriminatif. Plusieurs présentations du même stimulus engendrent une distribution appelée dispersion discriminative, supposée normale. La différence principale avec le modèle de Fechner est que l'on cherche ici comment varient les dispersions discriminatives internes pour des intervalles égaux du stimulus. La moyenne des dispersions discriminatives constitue la valeur scalaire du stimulus sur une échelle d'intervalle exprimée en unités d'écart type.
La méthode principale pour obtenir une échelle thurstonienne est la méthode de comparaisons par paires. L'expérimentateur choisit un certain nombre de niveaux du stimulus comme pour une mesure de seuil différentiel. Ces niveaux seront présentés par couples et l'individu devra indiquer à chaque essai si, par exemple, le second stimulus est plus grand ou plus petit que le premier. Toutes les comparaisons seront présentées. Les fréquences des jugements pour chaque couple seront ensuite transformées en écarts réduits et permettront d'obtenir une fonction psychométrique.
Les échelles de partition: elles sont basées sur l'idée d'un découpage du continuum subjectif de manière que les échelles obtenues aient les propriétés d'échelles d'intervalles. Les procédures expérimentales les plus utilisées sont des méthodes de cotation. Un nombre restreint de catégories de réponse est proposé au sujet, soit sous la seule forme de nombres (1, 2, 3,..., n), soit sous une forme verbale (par exemple, très ressemblant, assez ressemblant, ressemblant, peu ressemblant, pas du tout ressemblant). Les fréquences avec lesquelles chaque stimulus est affecté à chaque catégorie permettent de dériver des valeurs scalaires.
Les méthodes subjectives directes: elles comportent des méthodes d'estimation dans lesquelles l'individu doit, généralement au moyen de nombres, indiquer le rapport qu'il perçoit entre deux intensités stimulatrices et des méthodes de production dans lesquelles l'individu doit ajuster la valeur d'un stimulus de sorte qu'il soit perceptivement dans un certain rapport avec un autre. Ces méthodes conduisent à des échelles de Stevens du type fonctions de puissance.
Dans la méthode d'estimation des grandeurs, pour un ensemble donné de niveaux du stimulus présentés un à un dans un ordre au hasard, le sujet doit affecter un nombre qui reflète la grandeur de sa sensation. L'un des stimulus de la série peut être désigné comme étalon, et les jugements se feront alors par rapport à l'intensité subjective de cet étalon. De plus, la valeur numérique de cette intensité subjective peut être précisée.
Dans la méthode d'estimation des rapports, à chaque essai des couples de stimulus sont présentés. L'individu doit alors estimer le rapport de leurs sensations en termes de multiples.
La méthode de fractionnement est une méthode de production de rapports dans laquelle le sujet doit produire, ajuster le niveau d'un stimulus de manière que son intensité lui apparaisse double ou moitié de celle d'un stimulus étalon.
Dans la méthode d'égalisation intermodalitaire, l'expérimentateur sélectionne une série de stimulus (par exemple, des sons) et demande au sujet d'ajuster l'intensité d'un autre stimulus (par exemple, une lumière) de manière que les rapports des intensités lumineuses correspondent aux rapports des sensations sonores. Cette méthode permet d'éviter les inconvénients liés à l'utilisation de nombres par l'individu.

La psychophysique sans stimulus

Certaines expériences mentales paraissent assez cohérentes pour pouvoir donner lieu à des mesures sans que les événements physiques auxquels elles correspondent puissent être définis métriquement avec précision. Ainsi, juger de la similarité entre deux formes visuelles ou sonores ne présente souvent pas de difficulté majeure. Cette expérience a, selon toute vraisemblance, des déterminants multiples qui sont difficiles à identifier au niveau des stimulus.
D'autres formes de jugement font appel à des évocations analogiques (par exemple, qualifier de clair ou de sombre un sentiment). Cette approche a trouvé ses applications les plus notables avec le différenciateur sémantique d'Osgood et les échelles d'attitude en psychologie sociale.

L'analyse multidimentionnelle

Les méthodes évoquées ci-dessus présupposent, soit au niveau du stimulus, soit au niveau des réponses, l'existence d'une échelle unidimensionnelle. Mais des réponses telles que des jugements de similarité ont, comme il a été dit plus haut, des déterminants multiples. Aussi, différentes méthodes ont été développées pour estimer le nombre de dimensions dont il faut faire l'hypothèse pour rendre compte des jugements. Parmi ces méthodes, on peut citer la méthode INDSCAL de Caroll et Chang, ou encore l'analyse des correspondances de Benzecri.