LE SON
De manière générale, le son est une sensation auditive, provoquée par une onde produite par une vibration mécanique, qui stimule notre oreille.
Dans la nature, tout ce qui vibre génère un son : les feuille agitées par le vent, l'eau qui coule, les cordes d'un violon ou d'une guitare, les cordes vocales...
Ainsi, on peut définir le son comme représentant la partie audible du spectre des vibrations acoustiques, de même que la lumière se définit comme la partie visible du spectre des vibrations électromagnétiques. L'homme perçoit donc les sons compris entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Schéma des bandes de fréquences audibles par l'Homme
I-LE SON
A) Définition
Qu'est-ce qu'un son en physique ?
Ce qu'on appelle communément un son se définit en physique comme une onde sonore.
Tout d'abord, une onde sonore est la propagation d’une perturbation définie par une vibration des molécules du milieu autour de leurs positions d'équilibre. C'est la position initiale des molécules dans le milieu sans perturbation ; on parle également d'un « état de repos ». Cette perturbation est créée par une source mécanique qui peut provenir du support (ex: haut parleur), ou du milieu. Ce dernier pouvant être solide, liquide ou gazeux. Le son se propage dans un milieu qualifié d’élastique, le plus souvent dans l'air. C’est un milieu matériel, déformable sous la contrainte d’une
force mécanique ; dans le cas du son, c'est le choc entre les particules de l’air. Le milieu peut dans un second temps reprendre sa forme initiale lorsque cette force n’agit plus.
Les molécules subissent de faibles variations de pression (pression acoustique) et s’entrechoquent entre elles pour transmettre la déformation (perturbation) subissant ainsi de micro-déplacements. Lorsque la perturbation est passée, les molécules reviennent à leur position initiale.
On constate une perte d'énergie au fur et à mesure que l'onde sonore se propage, le son produit par la vibration s'atténue.
Ensuite, une onde sonore est une succession de compressions/dilatations (raréfactions) des molécules. Elles vibrent autour de leur position d'équilibre et ne se déplacent presque pas, ou alors de quelques micromètres, à la manière d'un accordéon. Seul la compression se déplace ; les molécules constituant le milieu de propagation. Ainsi, au fur et à mesure de sa propagation, ce mouvement de heurt entre les particules s'atténue ; ce qui se traduit par une perte d'énergie.
Le son ne peut donc pas se propager à l'infini.
Schéma illustrant le phénomène de compression/dilatation des molécules d'un milieu lors du déplacement d'une onde sonore
Enfin, on associe le plus souvent une onde sonore a une onde mécanique longitudinale. En effet, on définit une onde longitudinale comme étant une onde qui vibre le long de sa direction de propagation c'est-à-dire une onde pour laquelle la déformation du milieu se fait dans la même direction que la propagation.
Dans le cas de l'onde sonore, les molécules se déplacent parallèlement au sens de propagation de l’onde et donc suivent la même direction.
Le son se définit donc par la propagation d’énergie, sous forme d'onde, dans un milieu matériel
sans transport de matière.
Comment représente-t-on une onde sonore en physique ?
Une onde sonore a pour représentation graphique une courbe sinusoïdale. C'est la représentation du son sous forme de tension électrique. On peut mettre en relation cette courbe avec les mouvements de dilatations/compressions vus plus tôt :
Représentation d'un signal sonore en complémentarité avec les modifications subis par le milieu lors de la propagation de l'onde sonore
B) Caractéristiques générales du son
On dégage 3 grandes composantes du son : l'intensité, la hauteur et le timbre.
1. LA HAUTEUR
De manière générale, la hauteur d'un son est définie par sa fréquence, qui désigne le nombre de vibrations par seconde.
En réalité, la hauteur d'un son dépend également de la période qui est liée à la fréquence, elle-même liée à la longueur d'onde.
La hauteur d'un son est donc définie par ces 3 paramètres : période, fréquence et longueur d'onde.
Sons aigus/Sons graves
La fréquence d'un son détermine si ce dernier sera aigu ou grave.
Plus un son aura une fréquence faible, plus il sera grave. Au contraire, plus un son aura une fréquence élevée, plus il sera aigu.
On a représenté à une même échelle la variation de pression (compressions/dilatations) sur une même unité de temps (10 ms) d'un son aigu et d'un son grave. On remarque que plus le nombre de période est élevé, plus la fréquence l'est aussi et donc plus le son est aigu.
Représentation schématique d'un son aigu et d'un son grave
2. L'INTENSITE
L'intensité d'un son (plus communément appelé volume) est exprimé en décibels (dB). L'Homme perçoit les sons compris entre 0 décibels (seuil d'audibilité) et 120 décibels (seuil de douleur). Il dépend de deux caractères :
L'intensité d'un son dépend donc de son amplitude et de sa pression acoustique.
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Fondamental :
La vibration de fréquence f1 d'un son complexe est appelée « fondamental ». C'est la fréquence la plus faible d'un son complexe. (Un son pur a une fréquence unique : un fondamental)
Spectre* des fréquences d'un son avec son fondamental
3.LE TIMBRE
Le timbre permet de différencier deux sons joués à la même hauteur et à la même intensité. On peut donc différencier une même note jouée au piano, au violon ou bien même chantée. On parle aussi de « couleur ».
Le timbre d'un son est défini par sa fondamentale et ses harmoniques. Commençons par définir le terme de son pur et son complexe :
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Harmoniques :
Le fondamental donne la référence du son. Les harmoniques ont des fréquences qui sont des multiples du fondamental (f1). Leurs intensité est plus ou moins faible.
Spectre* des fréquences d'un son avec sa fondamentale (440 Hz) et ses harmoniques
Ainsi, la formule liant fondamental et harmoniques est la suivante :
fn=nf1 avec n un entier et f1 le fondamental
Un instrument peut favoriser certaines harmoniques et pour l'Homme c'est la forme de son crâne qui les favorise. Ainsi, ce sont les différences d'harmoniques qui constituent les différences de timbres. On différencie donc un son (de même hauteur et même intensité) joué au piano d'un autre joué au violon de par leurs différences d'harmoniques.
*Le spectre est une autre représentation du son. On obtient son spectre en identifiant les différentes longueurs d'onde des ondes qui le composent et en y indiquant leurs amplitudes. Le plus souvent, il est représenté sous forme d'un diagramme avec les fréquences pour abscisses et les amplitudes pour ordonnées. Les fréquences sont alors représentées par un trait vertical.
Le son se traduit donc par une onde sonore se propageant dans un milieu, en lui faisant subir une perturbation. Cette dernière entraîne des successions de compressions/dilatations des molécules du milieu. L'onde perd de l'énergie lors de sa propagation, elle s'atténue.
Enfin, le son est défini par 3 grandes caractéristiques : la hauteur, qui détermine si un son est aigu ou grave, l'intensité, qui définit le volume du son et le timbre, qui lui donne une « couleur ».
C) La propagation du son
L'onde sonore se déplace dans un milieu dit compressible. En effet, lors de sa propagation, l'onde sonore va faire subir aux molécules du milieu une succession de compressions/dilatations. Ainsi, la matière ne se déplace pas; il y a seulement déplacement d'énergie.
La vitesse de propagation de l'onde sonore (ou célérité du son) dans un milieu dépend de nombreuses propriétés du matériau dans lequel il se propage. On peut en distinguer 3 principales : la pression, la température et la compressibilité.
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La température :
La température est une grandeur physique à laquelle on attribue pour unité le degré Celsius (°C). Plus la température augmente, plus la célérité du son augmente.
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La pression :
La pression est une force pressante exercée sur une unité de surface, ici, l'air par exemple. Son unité est le Pascal (SI) et on utilise couramment l'hectopascal (hPa). Moins elle est forte, plus l'air se dilate et ainsi plus la célérité augmente.
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La compressibilité :
Elle désigne l'aptitude du milieu à reprendre sa forme initiale après la déformation ;soit la capacité qu'ont les molécules à retrouver leur position d'équilibre.
1.Dans l'air
Pour une température de 20°C et une pression de 1013 hPa, la vitesse de propagation de l'onde sonore dans l'air est d'environ 343 m/s.
2.Dans d'autres milieux
Dans l'eau par exemple, la célérité du son sera de 1500 m/s. Les vitesses de propagation d'ondes sonores sont encore supérieures dans les matériaux plus denses :
Tableau indiquant la célérité d'une onde sonore dans différents matériaux
3.Dans le vide
Théoriquement, le vide est constitué de rien ; il n'y a donc pas de molécules. Or celles-ci sont indispensables car elles garantissent la propagation de l'onde. Le son ne peut donc pas évoluer dans le vide.
4.Impédance acoustique
Une onde sonore peut rencontrer des difficultés lors de son passage d'un milieu à un autre. En effet, chaque milieu impose une résistance plus ou moins importante appelée impédance. Ainsi, une onde se propageant dans l'air sera mal perçue dans l'eau ; ce milieu présentant une forte impédance.
Schéma explicatif de la notion d'impédance acoustique
L'onde sonore du milieu 1 est l'onde incidente. Lors du changement de milieu, une partie de l'onde réussit à passer dans la nouveau milieu (milieu 2). On dit alors qu'elle est partiellement absorbée. Or, il existe une certaine résistance entre ces deux milieux. Ainsi, l'autre partie de l'onde incidente est réfléchie comme si elle heurtait un obstacle. On dit qu'elle est partiellement réfléchie.
II-Le son en musique
Pour un musicien, le son et plus particulièrement la musique, se définit par une association de notes et de silences qui ensemble, constituent une harmonie. Voici quelques bases de solfèges pour mieux comprendre la musique.
A)Un peu de solfège…
Le musicien joue de manière fidèle un morceau, autant sur le plan mélodique (note) que rythmique. Il y ajoute son interprétation personnelle, expression de ses émotions, variant ainsi l'intensité (nuances), le tempo (vitesse du morceau)...
1.Les notes
Les notes sont la base de la musique ; elles sont les piliers d'une partition.
Partition de musique avec différentes notes en relation avec les touches d'un clavier de piano
Voici quelques une des notes précédentes sur le clavier d'un piano. Une touche correspond à une note. Or, certaines notes sont présentes sur deux touches du clavier (noires et blanches). On parle alors de ton et de demi-ton.
2.Ton et demi-ton
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Le ton :
Un ton désigne un intervalle de 2 notes. Sur le clavier d'un piano, il désigne l'intervalle entre 2 touches blanches séparées par une touche noire. Par exemple, il y a un ton entre Do et Ré, entre Sol et Si.. Or, il n'y a pas un ton entre Mi/Fa et Si/Do ; il y a un demi-ton.
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Le demi-ton :
Un demi-ton quant à lui, désigne un intervalle entre une note noire et une blanche sur la clavier du piano. On parle d'altération comme les dièses (#) et les bémols (b).
Par exemple, Do/Do# est un demi ton comme pour Sol b/Sol.
Illustration des tons et des demi-tons avec la gamme de Do majeur
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La gamme tempérée :
La gamme tempérée (imaginée au XVIIIème par Jean-Sébastien Bach) domine la musique encore actuellement. Elle désigne l’intervalle d’une octave et est divisée en 12 demi-tons équidistants (de distance égale).
3.Les octaves
Le clavier d'un piano couvre environ sept octaves et chaque octave est découpée en douze intervalles matérialisés par les touches noires et blanches vu plus tôt.
Une octave est un intervalle qui sépare deux notes de même son mais de hauteurs différentes. C'est-à-dire que l'une est plus haute que l'autre.
Par exemple, Mi3 et Mi4 constituent une octave car c'est la même note, Mi, mais avec des fréquences différentes. On parcourt alors 8 notes : mi, fa, sol, la, si, do, ré.
Une octave est composée de 5 tons et de 2 demi-tons.
C correspond au Do en anglais.
Schéma explicatif d'une octave
B)Une infinité de timbres au service de la musicalité
Le timbre d'un instrument est unique ; il diffère d'un instrument à l'autre. Le timbre désigne également la « couleur » d'un son.
1.Fondamental et Harmoniques
Lorsqu'un Do(2) vibrant à 130 Hertz est joué, on entendra aussi les fréquences de ses harmoniques suivantes :
Tableau des fréquences des notes et multiple du fondamental
Ici le fondamental est le Do2 (Do de la 2ème octave), d'une fréquence de 130 Hertz. Les autres notes sont les harmoniques qui sont des multiples du fondamental. En effet, si l'on multiplie la fréquence du fondamental par 8, on obtient une nouvelle fréquence correspondant à une nouvelle note plus haute (Do5).
2. Harmoniques d'un instrument
Depuis le XIXe siècle, il est possible de décomposer un son afin d'obtenir son spectre sonore, qui correspond à l’ensemble des fréquences harmoniques du fondamental.
Pour comparer les fréquences harmoniques de différents instruments, on utilise un sonagramme. C'est un mode de représentation du spectre sonore représentant l'évolution du fondamental en fonction du temps.
Sonagrammes d'une note de violon (gauche) et d'une note de trompette (droite)
Ces deux sonagrammes vont permettre de décomposer les harmoniques d'une note joué par les instruments et de les comparer. Ils ont pour ordonnées la fréquence des harmoniques et pour abscisses le temps. L’intensité d'une harmonique est traduite par la noirceur du trait qui correspond à l'harmonique.
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Comparaison des 2 sonagrammes :
Tout d'abord, on constate que le nombre de traits noirs est plus élevé pour le sonagramme du violon que pour celui de la trompette. On peut alors dire qu'il a un son beaucoup plus riche en harmoniques que celui de la trompette. Ensuite, on remarque que les premiers traits noirs de la trompette sont plus noirs et plus épais que ceux du violon. On en déduit que les premières harmoniques de la trompette ont une intensité supérieure à celles du violon.
On explique ces nombreuses différences d'harmoniques par les différences de timbres. En effet, le timbre d'un instrument varie d'un instrument à l'autre ;il est unique car il favorise certaines harmoniques plutôt que d'autres.
Schéma illustrant la fréquence fondamentale et les harmoniques d'un son en fonction de la longueur d'onde et de la fréquence de nombreux instruments
Voici, après l'exemple du violon et de la trompette, les fondamentaux et leurs harmoniques pour un grand nombre d'instruments. On constate que les fondamentaux et les harmoniques d'un instrument ne sont pas proportionnels de l'un à l'autre. Cela renforce l'idée que les différences d'harmoniques favorisées par l'instrument rendent le timbre de ce dernier unique car aucun instrument n'a la même valeurs d'harmoniques
Le timbre est donc défini par les différentes harmoniques de l'instrument. Les différences de timbre sont donc liées aux différences d'harmoniques. On dit que le timbre donne la « couleur du son » qui peut être doux, triste, joyeux...
Nous avons donc vu que le son peut avoir une définition différente en physique et en musique. Ainsi, en physique on le désigne par une onde sonore se propageant dans un milieu en s'atténuant. Il s'agit d'un transport d'énergie sous forme d'onde, mais sans transport de matière. Or, pour le musicien, le son désigne plutôt une mélodie et un rythme formant une harmonie.
Enfin, après avoir étudié le son et ses composantes, nous pouvons ainsi nous demander quels sont les organes et les mécanismes impliqués dans la perception du son chez l'Homme.
