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Son et musique. Leçon 1
Le son désigne à la fois un phénomène physique objectif ainsi qu’un phénomène physiologique et psychologique en relation avec la sensation auditive induite. La première base de compréhension du phénomène sonore est de revenir aux notions physiques. Le son est une variation de pression de l’air, qui correspond à un phénomène périodique, une onde avec des caractéristiques que nous allons définir.
Le Son. Qu’est-ce que c’est ?
Rappel de physique
L’onde sonore
L’idée que le son est un phénomène ondulatoire est très ancienne. Il semble qu’elle ait été suggérée pour la première fois par l’architecte romain Marcus Vitruvius Pollio, il y a environ 2000 ans. Préoccupé par l’architecture des amphithéâtres, où il est essentiel de contrôler l’écho, il comparait le son à des vagues d’eau qui se déplacent dans l’espace « onde après onde ». Cette merveilleuse image a marqué le début de la physique du son, appelée acoustique (du grec okoustikos qui veut dire : ce qui concerne l’ouïe).
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Le son est, physiquement, un ébranlement élastique des éléments du milieu où il se produit, ce milieu étant un gaz, un liquide ou un solide.
C’est un phénomène vibratoire provoqué par une variation rapide de la pression (pression atmosphérique, quand l’émetteur est dans le milieu aérien) qui se propage de proche en proche.
Le son a besoin d’un corps pour se propager et ne peut exister dans le vide.
Il consiste en un mouvement oscillant de particules matérielles autour de leur position normale d’équilibre. Les vibrations qui se propagent ainsi sont longitudinales, c’est-à -dire qu’elles ont lieu dans la direction même de propagation ; les molécules qui composent l’air (le milieu ébranlé) sont donc déplacées dans cette direction d’une façon périodique. A un instant donné, la condensation des molécules – c’est-à -dire la pression – dans l’air est maximale, à d’autres moments elle est minimale.
Il est assimilable (le mouvement) à celui d’une série régulière d’ondes se propageant à la surface d’une eau, primitivement calme, par suite d’un choc. Il est à noter que lorsqu’un mouvement vibratoire se propage, ce n’est pas la matière du milieu vibrant qui se déplace dans le sens de propagation, mais uniquement le mouvement.
En pratique, un corps sonore tel qu’une corde vibrante, la peau d’un djembé, la membrane de haut-parleur, produit lorsqu’il est mis en mouvement un phénomène vibratoire du milieu environnant. Grâce à l’élasticité de ce milieu, la vibration se propage sous la forme d’onde.
Au fur et à mesure de la propagation l’onde sonore perd de l’énergie. Le son se propage à environ 340 mètres par seconde (en milieu aérien, à une température de 20° (le son se propage plus vite en milieu chaud que froid). Dans le vide, le son ne peut se propager.
Le passage de cette onde acoustique produit une variation de la pression atmosphérique qui est captée par l’oreille et interprétée par le cortex cérébral, donc par la conscience, comme une sensation auditive.
Par extension physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance (la perception auditive sera développée dans une autre leçon).
Observons ce qui se passe lors de la propagation des ronds dans l’eau suite à un ébranlement de la surface, ainsi nous comprendrons mieux le phénomène des ondes sonores.
1ère constatation
Plus on s’éloigne du point d’impact plus l’amplitude (hauteur de vagues) diminue.
2ème constatation
Un bouchon de liège à la surface de l’eau va suivre l’amplitude du liquide, il montera et descendra, sans changer de place.
3ème constatation
La distance entre deux crêtes ou deux creux est identique.
4ème constatation
S’il n’y a pas répétition du choc, la surface de l’eau redevient calme.
Il en est de même pour une onde sonore, plus on s’éloigne de la source plus le niveau de bruit diminue. Comme pour l’eau, les molécules ne se déplacent pas, mais transmettent l’énergie aux molécules adjacentes. Si la source de bruit s’arrête le son décroît.
Comment classifier les sons ?
La classification des sonsAlors que le son pur représente une onde périodique sinusoïdale, le son complexe est constitué d’une série de fréquences, ainsi que le démontra le mathématicien Charles Fourier au XVII° siècle. La plupart des bruits et des sons qui nous entourent sont de ce type.
Un phénomène est périodique lorsqu’il se reproduit indéfiniment à l’identique à lui-même, au bout d’un certain temps appelé période. Ce phénomène peut être de nature quelconque : mouvement d’un point matériel, variations de pression de l’air, variation de lumière ou de couleur, etc… Le mouvement périodique le plus simple qui soit est le mouvement sinusoïdal. Il peut être défini par son amplitude, par sa fréquence et sa période.
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Du simple point de vue physique, ce qui caractérise une onde et donc le son c’est l’amplitude, la fréquence et la nature du mouvement vibratoire qui le produit. On distingue des sons simples ou purs, représentables par une fonction sinusoïdale de période T (le son est émis à une fréquence bien précise), et des sons complexes qui sont le résultat de la superposition de plusieurs mouvements simples (le théorème de Fourier qui énonce qu’un mouvement périodique de période T peut toujours être considéré comme la superposition de plusieurs mouvements périodiques de périodes T, T/2, T/3, T/4, etc. ; on peut l’appliquer aux vibrations sonores).
Son purLa vibration est caractérisée par une seule fréquence. (dessin S. Blatrix) |
bruit (son complexe)Pas de fréquence caractéristique. (dessin S. Blatrix) |
son musical (son complexe)A la fréquence fondamentale s’ajoutent des harmoniques (fréquences plus aiguës que la fréquence fondamentale) qui caractérisent le timbre de l’instrument. (dessin S. Blatrix) |
Quels sont les caractéristiques physiques d’une onde ?
Les sons purs ou sinusoïdaux se rencontrent rarement dans notre quotidien. Ils sont produits par le diapason ou par des systèmes électroniques. Le LA du diapason à 440 Hz sert de référence aux musiciens pour accorder les instruments et quelle que soit la façon dont le diapason est excité, la fréquence de la vibration est toujours la même. Le son pur correspond à une unique fréquence et est représenté par un mouvement vibratoire simple, la sinusoïde.
Un son pur est constitué d’une oscillation simple ; pour caractériser cette onde il suffit de préciser :
l’amplitude de celle-ci (dont dépendent sa puissance acoustique surfacique et son niveau en décibels) ;
sa fréquence ;
sa longueur d’onde.
La longueur d’onde : λ (lambda)
C’est la distance entre deux points correspondants (par exemple deux maximum successifs, distance en mètre entre deux crêtes consécutives). Elle est représentée par la lettre grec lambda. On la calcule facilement avec la formule : lambda = C/F.
où :
c est la vitesse du son, dans le système étudié (dans l’air elle est de 344 m/s).
Le haut de la courbe s’appelle le pic et le bas s’appelle le creux.
La période : T
C’est le temps nécessaire pour accomplir une oscillation complète, ou un cycle. Elle s’exprime en secondes (s) ou en millisecondes (ms).
La célérité : C
C représente la célérité (vitesse de propagation du son dans un milieu) C = 340 m/s. Dans un autre milieu que l’air, il faudra remplacer C par la vitesse de propagation du son dans le milieu étudié. F est bien sûr la fréquence dont on veut connaître la longueur d’onde. Cette formule nous permet de dire que plus la fréquence est basse plus sa longueur d’onde est importante. La vitesse c’est la vitesse avec laquelle les perturbations se propagent et qu’il ne faut pas confondre avec la vitesse des molécules. Cette célérité dépend du milieu dans laquelle il se propage.
Dans l’air à 0°C = 331,4 m/s
eau douce à 15°C = 1440 m/s
dans l’acier = 5900 m/s
Dans les gaz la célérité dépend de la pression atmosphérique, de la masse spécifique et de la température.
En ce qui concerne la célérité du son dans l’air en fonction de la température, on pourra appliquer la formule :
C = 20 racine carrée de T° en m/s
T° en température absolue.
la vitesse de l’onde sonorePlus le milieu est dense, plus cette vitesse est grande. La lumière se propage à 300 000 km/sec dans le vide. Voilà pourquoi on entend le tonnerre après avoir vu l’éclair. C’est selon ce principe qu’en 1822 les physiciens Gay-Lussac et Louis Arago mesurèrent pour la première fois la vitesse du son dans l’air. Munis d’un chronomètre et d’une longue-vue, ils se postèrent à 20 kilomètres de distance d’une batterie de canon. Le temps s’écoulant entre la lueur s’échappant de la bouche du canon et la détonation leur permit de calculer une vitesse de propagation de 340 mètres par seconde. Un siècle et demi plus tôt, Von Guericke (en 1672) montrait que la transmission d’un son ne pouvait se faire qu’en présence d’un milieu contenant une quantité de matière suffisante. Il plaça une sonnerie d’alarme sous une cloche de verre. A mesure qu’il pompait l’air sous la cloche, le son devint de plus en plus faible. Lorsque le vide fut quasi total, alors que l’on voyait l’alarme fonctionner, on n’entendait pas le son. Von Guericke montrait pour la première fois que le son ne se propage pas dans le vide. |
La fréquence : F
La fréquence est le nombre de cycles effectué par l’onde par unité de temps. Elle s’exprime en Hertz. 1 Hz = 1 cycle par seconde. Ainsi à une fréquence de 100 Hz correspondent 100 cycles par seconde. On nommera couramment un son grâce à sa fréquence. En musique par exemple la note référence qui est le " La " est aussi nommée " La 440 " car sa fréquence est de 440 Hz. La fréquence est l’inverse de la période.
PériodeSon pur aigu : f = 3000 Hz |
PériodeSon pur grave : f = 300 Hz |
PériodeSon fort et son faible : f = 300 Hz |
En musique, la fréquence est plutôt désignée par le nom de hauteur. Ainsi, plus la fréquence d’un son est élevée, plus celui-ci est aigu. On parle de sons graves pour une fréquence inférieure à 20 Hz, de sons mediums pour des fréquences comprises entre 500 et 3000 Hz, et de sons aigus pour des fréquences supérieures à 3000 Hz.
Pour un son grave, la distance entre deux crêtes est plus grande : il y a moins d’oscillations en une seconde que quand le son est plus aigu.
L’amplitude : A
Les vibrations peuvent également « comprimer » les molécules d’air très fortement ou très faiblement. Cette compression s’appelle « amplitude ». L’amplitude maximale est la différence de hauteur entre le point le plus haut et le point le plus bas de la courbe. Elle représente donc la différence entre les pressions maximale et minimale, oscillant autour d’une valeur de référence (dans le milieu aérien, c’est la pression atmosphérique).
La durée
Permet de distinguer :
les sons impulsionnels (inférieurs à 300 millisecondes)
les sons impulsifs (inférieurs à 1 seconde)
les sons continus (supérieurs à 1 seconde). Parmi ces derniers on distingue les sons stables, fluctuants, intermittents.
Sons complexes
Sons complexesIls proviennent également de mouvements vibratoires qui ont pour caractéristiques d’être :
1. périodiques : c’est-à -dire possédant une période T et une fréquence f=1/T.
2. complexes : c’est-à -dire présentant une composition spectrale plus ou moins riche.
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Le glissando d’un violon, la voix du chanteur ne produit pas des sons purs mais des sons périodiques complexes. Une note de musique est en réalité composée par une ligne fondamentale qui résulte de la superposition de plusieurs lignes harmoniques qui dépendent de la nature, de la géométrie, de la matière d’un instrument. Notre ouïe performante nous permet ainsi de distinguer ces résonances et nous reconnaissons pour une même note le timbre d’un violon, d’une guitare ou d’un saxophone. Le timbre différencie la sensation d’écoute et constitue le troisième paramètre du son après l’intensité et la fréquence.
Le mathématicien Joseph Fourrier a démontré au XIXe siècle que « les ondes périodiques de fréquence F se décomposent en une somme infinie d’ondes sinusoïdales de fréquence F, 2F, 3F, 4F… ». Chaque son est composé d’une onde sinusoïdale de fréquence F appelée la fondamentale et d’un ensemble d’ondes sinusoïdales de fréquences multiples (2F, 3F, 4F…) qui constituent ses harmoniques. La fondamentale donne la sensation de la hauteur de la note et permet de distinguer le Do du Ré ou du Mi. Les harmoniques créent le timbre de l’instrument. Selon leur nombre et leur intensité respective, l’oreille reconnaîtra une harpe, un violoncelle ou une flûte traversière.
Toutes les ondes ne sont cependant pas composées d’une fréquence fondamentale et d’harmoniques. Certaines sont apériodiques et leur hauteur exacte ne peut être appréciée par l’oreille. C’est le cas de bruits irréguliers comme les percussions. D’autres bruits sont formés d’éléments multiples : l’ambiance sonore de la ville est constituée par une addition de sons divers (bruits de moteurs, coups de klaxon, voix des piétons…)
Le timbre, qu’est-ce c’est ?
Le timbre d’un son est lié à la forme de l’onde elle-même. C’est cette caractéristique du son qui permet de différencier deux sons de même hauteur et de même intensité. Par exemple on peut jouer un même son (même volume, même fréquence) au piano, à la guitare et à la clarinette sans pour autant qu’il nous paraisse identique. Cette sensation différente est donc due au timbre, c’est-à -dire à la « forme » du son.
En dehors des sons purs, qui ont des formes d’onde sonore uniforme, parfaitement sinusoïdale, la réalité sonore de notre environnement est tout autre, plus complexe. Les sons que l’on entend résultent de la superposition d’une ensemble d’ondes. Un son musical présente la même fréquence dite fondamentale qu’un son pur, à laquelle s’ajoutent des ondes de fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, appelées harmoniques. Le timbre de la voix et des instruments de musique sont caractérisés par la présence de nombreuses fréquences harmoniques et permet de différencier par exemple le son d’une guitare de celui d’une trompette.
Guitare |
Trompette |
A ce terme sont souvent associées les notions de signature, couleur. On parle souvent de timbre clair quand la position spectrale du son contient de hautes fréquences. Par contre, un timbre sombre est souvent lié à un son essentiellement constitué de basses fréquences.
Rédacteur : Docteur Arcier André, président fondateur de Médecine des arts®
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