Introduction

La première question que nous devons nous poser quand nous parlons du son est : qu'est ce que c'est ?
On va y répondre ici, très simplement. Ça vous donnera de bonnes bases pour mieux l'appréhender.



Commençons par le commencement et abordons tout de suite le premier point !

La nature du son

Description

Mettons les pieds dans le plat : le son est une onde mécanique longitudinale . Non, non, ne partez pas ! On va essayer d'expliquer simplement ce que ça veut dire.

Dans le cas d'un haut-parleur, lorsque la membrane avance, elle va pousser les molécules d'air qui la touche qui elles-mêmes vont pousser leurs voisines qui elles-mêmes etc.
De même quand elle se rétracte, la membrane va attirer à elle les molécules d’air qui la touchent qui elles-mêmes vont attirer leurs voisines, etc.
Les molécules ne voyagent pas. Elles se déplacent autour d'une position moyenne (elles avancent puis reculent puis avancent etc.).

Au repos, toutes les molécules dans l'atmosphère respectent une certaine distance avec leurs voisines mais lorsqu'elles se cognent, on assiste à une surpopulation de molécules dans une petite zone. Si l'on mesure la pression dans cette petite zone, elle sera plus élevée que dans l'atmosphère au repos : c'est une surpression. De même quand les molécules reculent, il y a sous-population. La mesure de pression montrera qu'elle est ici plus faible qu'au repos : c'est une sous-pression. En fait le son c'est exactement ça, des molécules se rapprochent (surpression) et s'éloignent (sous-pression) en s'agitant autour d'une position. Les zones de surpression et de sous-pression vont quant à elles se déplacer dans l'atmosphère.



On assiste donc à une propagation qui évolue de proche en proche et qui déforme le milieu qu’elle traverse sur son passage, en l’occurrence l’onde fait s'agiter les molécules d’air dans la direction de son déplacement afin de propopager une pression.

• Le fait de se propager est la caractéristique d’une onde.
• La capacité d'agiter ou de déplacer des choses, comme les molécules d’air ou la membrane d’un micro, est dite mécanique.
• Déplacer les zones de pression dans le sens de la direction de l'onde est un déplacement longitudinal.

Voila, nos trois termes sont expliqués et voici quelques situations où vous pouvez ressentir la nature du son :

• Si la source est loin de vous, vous pouvez mettre un certain temps avant d'entendre le moindre son : cette durée s'appelle le temps de propagation. L'onde sonore se déplace avec une certaine vitesse qui varie en fonction du milieu dans lequel elle se propage : 344 m/sec dans l'air à 20°C, 1500 m/sec dans l'eau de mer par exemple.
• Lorsque le volume est très fort, on ressent parfois les vibrations dans notre corps : c’est grâce aux propriétés mécaniques du son qui viennent pousser notre cage thoracique.

Le son peut se propager dans l’air, dans les liquides et dans les solides. En revanche, il ne peut pas se propager dans le vide ni dans l'espace car il n’y a aucun support, aucune molécule à déplacer. Et je suis désolé d’ajouter que quand on entend une explosion de croiseur inter-galactique dans Star Wars, c’est une aberration physique. En revanche ça rend quand même super bien !

Puissance, fréquence et période

En général, on dit d’un son qu’il est plus ou moins fort et plus ou moins aigu (ou grave). Ces deux notions sont fondamentales pour caractériser un son : son amplitude qui correspond à son volume et sa fréquence qui correspond à sa hauteur.

Le volume est rarement mesuré tel quel car c’est une notion difficilement exploitable. En revanche il est directement lié à la notion de puissance. On mesure donc la puissance du son et son unité est le décibel, noté dB. Cette unité a la caractéristique de transformer les rapports en somme. Je m’explique, si un son est 2 fois plus puissant qu’un autre alors il aura 3 décibel de plus.

P(son_1) = 2 * P(son_2) devient en dB : P(son_1) dB = P(son_2) dB + 3 dB

Et c'est quand même plus facile de manipuler une somme qu'un produit !

La fréquence va déterminer la hauteur de la note jouée. Autrement dit, cela va déterminer si le son est grave ou aigüe et cela va nous permettre de différencier un Do d'un Ré par exemple. Plus la fréquence est élevée, plus la note sera aigüe. Elle se mesure en Hertz, noté Hz.

A la fréquence, on associe la période. Ces deux notions sont fortement liées car la période est l'inverse de la fréquence. Pour un signal périodique, c'est à dire un signal qui se répète, il s'agit de la durée de la période élémentaire. Elle se mesure en secondes.

L’oreille et le son

Les limites

Mille milliards de Hertz ? Fichtre, ça doit être très aigu ! Malheureusement pour nous, nous ne le saurons jamais car…  nous ne pouvons pas l’entendre. Et oui, nous sommes limité par notre oreille qui nous permet d’entendre entre 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz) environ.

Les fréquences inférieures à 20 Hz sont appelées infra-basses et dont une partie peut être utilisées par les éléphants, les baleines, ... Les fréquences supérieures sont appelées ultra-sons dont une partie peut être entendue par les chiens ou les chauves-souris qui s’en servent de radar.

Attention ! Ce n’est pas parce qu’on ne peut pas les entendre qu’on ne peut pas les ressentir. En effet, on peut percevoir ces sons notamment par la cage thoracique. Alors même si nous ne les entendons pas, ils participent à la richesse du son et de l’atmosphère. Les infra-basses sont d’ailleurs utilisées au cinéma pour rendre les situations plus prenantes.

Par commodité, on découpe cette plage de fréquence en 3 :

• les sons graves (bass en anglais)
• les médiums (sous-divisés en bas-médiums et hauts-médiums)
• les sons aigus (treble en anglais)

Il n'existe pas de frontières définies entre les uns et les autres mais ces termes reviennent très souvent pour décrire un son ou du matériel audio.

De même au niveau du volume, on ne peut entendre en-dessous d'un volume minimal. Quant aux volumes trop forts, ils créent des dégâts irréversibles au niveau de l'oreille interne : surdité et acouphènes. Mieux vaut donc bien surveiller ces paramètres. Ceci dit rien ne vous empêche de jouer tout à fond comme dirait les Wampas. Ben oui, on va pas se mettre à jouer du punk tout doucement, bordel ! 😀

La perception du son

Nous ne percevons pas le son de manière linéaire ! Vous allez pouvoir entendre votre minuscule boucle d'oreille tomber sur le carrelage alors qu'il vous faudra dépenser des fortunes en amplificateurs et autres caissons de basses pour entendre convenablement les sons graves...

En effet, nous percevons très bien les médiums et haut-médiums alors que nous faiblissons de plus en plus à mesure que l'on s'approche des extrêmes (graves ou aigus). On commence à entendre les basses aux alentours de 50Hz à partir de 60dB alors qu'il suffit de 10dB pour qu'on entende les sons allant de 1000 à 5000Hz!

De plus, le volume sonore modifie cette courbe : les graves ressortent beaucoup plus à fort volume tandis que les aigus dominent largement à faible volume. Théoriquement, le volume idéal où cette courbe est la plus « plate » se situe aux alentours de 90dB (décibels).

Et enfin, le saviez-vous, il existe une fréquence que nous entendons plus forte que toute les autres...qui correspond à la moyenne de la fréquence du cri humain (environ 3000Hz - notez que c'est en moyenne un peu plus aigüe chez les femmes que chez les hommes).

Pour visualiser ce dont je parle, il faut regarder ce que l'on appelle les courbes isosoniques, mesurées pour la première fois en 1933 par Fletcher et Munson elles indiques la perception du son selon les fréquences. Ce graphique est en fait très simple : chaque ligne est perçu par une oreille humaine comme faisant le même volume, alors que selon les fréquence on voit bien que l'amplitude absolue varie énormément! Comme indiquée sous le graphique les lignes bleues corespondent aux mesures de 1933, et les lignes rouges sont des mesures plus récentes sur de nombreux cas, menées par un groupe de chercheurs internationaux.


Enfin, dernière anecdote : vous aurez surement remarqué que les publicités paraissent plus fort que le film juste avant.... pourtant elles sont au même volume! C'est juste que les publicitaires jouent sur le "spectre utile", c'est à dire la gamme de fréquence à laquelle notre oreille est la plus sensible!

Les gammes musicales

Les fréquences de la gamme occidentale

Ce qui fait que la musique occidentale ne sonne pas comme de la musique indienne ou japonaise, c'est qu'elle va utiliser un certain nombre de fréquences définies par des règles qui lui sont propres. Nous allons voir un petit peu en détail en quoi ceci consiste.

Dans la musique occidentale, on combine une note et un mode pour avoir un accord pour obtenir une gamme comme par exemple Do majeur. Il y a 12 notes :

• 7 notes de bases Do, Ré, Mi, Fa, Sol, La, Si
• et 5 notes altérées : Do# (dièse), Ré#, Fa#, Sol#, La#

et 2 modes :

• majeur
• mineur

Pour comparaison, la musique arabe utilise 96 modes ! De plus la musique arabe est entièrement mélodique et quasiment pas harmonique, c'est à dire que les accords (ensemble de plusieurs notes) ne sont pas définis.

Il faut savoir qu'il existe de nombreuses gammes sur Terre et ne pas oublier qu'il existait au moyen-âge en Europe de nombreuses gammes différentes. Pour la musique moderne on utilise en générale la gamme tempérée.

Ton, Demi-ton ?

L'écart entre 2 notes (Do et Ré par exemple) est appelé un ton et l'écart entre une note et la note altérée (Do et Do# par exemple) est appelée un demi-ton. Notez qu'il n'existe pas de Mi# ou de Si# car il n'y a qu'un demi-ton entre Mi et Fa ou entre Si et Do.



En revanche, toutes les autres fréquences de la gamme sont calculées très précisément grâce à une formule mathématique qui régit toute la musique occidentale :

où octave est le numéro de l'octave dans laquelle la note est choisie et n correspond à l'indice du demi-ton (entre Do et Si, de 1 à 12).

Par exemple, pour trouver la fréquence du Si 3 : l'octave est 3 et le Si est le douzième demi-ton de la gamme. La fréquence du Si 3 est donc :

Autre exemple, trouvons la fréquence du Do 2 : l'octave ici est 2 et le Do est le premier demi-ton de la gamme. La fréquence du Do 2 est donc :




Enfin, dernière chose à savoir, l'écart qui sépare 2 mêmes notes (2 Do par exemple) est appelé une octave. On note les octaves par leur position sur le clavier de piano. Le La 3 dont on à parlé plus haut est donc le 3ème La du clavier. En terme de fréquence, pour passer d'une octave à l'autre il suffit de doubler la fréquence. Si le fameux "La 3" fait 440hz, le "La 4" fera donc....880 Hz (bravo pour ceux qui ont trouvé) !

Une fois que vous avez lu ça, ne trouvez vous pas que la formule de Leibniz est particulièrement juste? « La musique est un exercice d’arithmétique inconscient dans lequel l’esprit ne sait pas qu’il compte. »

Les harmoniques, le timbre et l'enveloppe

Les harmoniques

Un son est un tas de fréquences ayant des relations plus ou moins fortes entre elles et des puissances variables. C'est en fonction du volume de chaque fréquence que l'on va déterminer la nature d'un son.

On fait généralement la distinction entre les sons suivants :

• le bruit : un son aléatoire qui occupe beaucoup de fréquences de manière indépendante avec des puissances équivalentes sur toutes les fréquences : c'est ce qu'on entend si l'on regarde la télé quand on voit de la neige. Il n'y a pas ici de signature fréquentielle.
• des sons peu harmoniques : les fréquences ont peu de relations entre elles mais on commence à voir une signature fréquentielle. C'est le cas des cymbales ou des tambours.
• des sons harmoniques : les fréquences présentes ont de fortes relations entre elles et présentent une signature fréquentielle très caractéristique. C'est le cas des instruments à cordes ou à vent par exemple.

Dans le cas des sons harmoniques, on retrouve une fréquence fondamentale qui correspond à la note jouée (La 3, Si 4,...) et la présence de nombreuses fréquences toutes multiples de la fondamentale : les harmoniques.

Par exemple, le La 3 au centre du piano a une fréquence de 440 Hz. Sa première harmonique sera donc (440x2) 880Hz, sa deuxième harmonique (440x3) 1320Hz etc....

Les guitaristes connaissent bien ce phénomène, car on peut isoler telle ou telle harmonique d'une corde en posant son doigt (sans appuyer) juste au dessus des frettes (les tiges en métal qui séparent les cases). On supprime la fondamentale au profit des harmoniques.

En régime permanent (sustain), la puissance des harmoniques diminue avec sa hauteur. Plus une harmonique a une fréquence élevée, plus sa puissance est faible.

De l'autre côté, on trouve les sous-harmoniques (qu'on retrouve plus souvent en anglais "sub-harmonics") qui sont des fréquences basses qui ont elles aussi un rapport avec la fondamentale. En revanche ici, la fréquence est divisée par un nombre entier... Pour reprendre notre fameux La3, ses sous-harmoniques seront :
440/2=220Hz
440/3=146,6Hz (environ)
etc...



Le schéma ci-dessus nous montre une représentation alternative du son. Elle est très courante dans lecteurs de musique et représente la répartition des fréquence à un instant donné et s'appelle le spectre. Ici nous voyons donc un exemple d'un son avec seulement sa fondamentale et ses harmoniques.

Notez qu'Il existe des sons très « pauvres » en harmoniques comme le son du diapason par exemple (dont on entend pratiquement que la fondamentale) et des sons très « riches » comme celui d'un clavecin. Cela se traduit par une sensation d'un son plus ou moins "lisse" ou "granuleux".

Le timbre

La puissance des harmoniques est capitale pour nous permettre de faire la différence entre un instrument et un autre. En effet, comme nous venons de le voir, il n'existe pas ou peu de sons ne contenant qu’une seule fréquence : il est constitué d’une multitude de fréquences à la fois et c’est tant mieux car c’est ce qui lui donne sa richesse !

Fermez les yeux. Imaginez qu’un pianiste joue une note :  au hasard un La 3. Ensuite un guitariste joue exactement la même note. Je suis sur que vous saurez reconnaître les deux instruments. Vous savez les différencier alors qu’il joue la même note !!

Le poids des harmoniques dans le son permet de déterminer le timbre de l'instrument, comme sa signature. Ainsi le poids des harmoniques dans un piano n'est pas le même que pour une guitare.

L'autre élément principal qui nous permet de distinguer le timbre d'un instrument s'appelle l'enveloppe, à savoir les variations d'amplitude au cours du temps...

Enfin, reconnaissons-le, le timbre reste un mystère qui n'expliquera jamais pourquoi tel ou tel instrument vous fera vibrer plus qu'un autre !

L'enveloppe

Un son naturel n'apparait et ne disparaît pas d'un coup, chaque son possède sa propre façon d'apparaitre de durer puis de disparaître. On appelle cela l'enveloppe. Celle-ci est définie essentiellement par 4 paramètres (qu'on retrouve la plupart du temps en anglais): Attack (attaque), Decay (déclin), Sustain (soutient), Release (sortie). Ces termes sont énormément utilisés dans le cadre de la synthèse sonore, où l'on peut régler avec précision ces paramètres pour définir l'évolution de son amplitude dans le temps.

Voici une définition de ces 4 paramètres :

• L'attaque : définit la vitesse à laquelle le son atteindra son volume maximal. Le piano ou la guitare ont des attaques courtes tandis qu'au violon ou avec les instruments à vent, on peut obtenir le temps d'attaque que l'on souhaite.

• Le decay : correspond à la différence de volume entre le volume maximum qui survient après l'attaque et le volume « de croisière » du son (le sustain). Je m'explique : lorsque l'on frotte une corde de guitare on va entendre le « gling » (volume maximal) puis le son va rapidement décroitre avant que la corde se mette tranquillement a résonner jusqu'à ce que le son s'éteigne doucement. C'est le court instant entre le « gling » et le son de corde qui résonne que l'on appelle le decay.

• Le sustain : Correspond au volume "constant" de la note tant qu'elle est maintenue. Cela correspond à une amplitude et non une durée.

• Le release : définit la rapidité avec laquelle le volume décroît après que la note soit relâchée.

La suite ...

Voilà vous connaissez maintenant la constitution du son. Pour aller plus loin, il faudra aller chercher du côté de la physique pour en savoir plus sur l’onde, sa fréquence, son amplitude, de la musicologie pour en savoir plus sur les notes ainsi que les règles de composition et de l’anatomie pour comprendre comment l’oreille entend.

Comment entendre ou comment enregistrer : c'est justement le sujet de notre prochain chapitre où l'on traite du monde analogique.

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