Les bases physiques de la musique

Caractéristiques fondamentales du son

Dans la leçon précédente, nous avons introduit les concepts et le vocabulaire qui permettent de mieux comprendre le fonctionnement du son. Nous n'avons toutefois pas donné de définitions rigoureuses ; enfilons donc notre blouse de scientifique et étudions le fonctionnement d'un son d'un peu plus près. Quelles sont les caractéristiques fondamentales d'une onde sonore, et comment ces caractéristiques impactent-elles notre perception auditive ?

Concrètement, chaque son est une série périodique d'ondes sonores.

Une onde est la propagation d'une déformation dans un milieu. En l'occurence, une onde sonore est une différence de pression de l'air, et cette différence de pression se propage, elle avance dans l'espace.

Un phénomène périodique est un phénomène qui va se reproduire à l'identique à un intervalle de temps régulier.

Pour qu'il y ait son, il faut donc plusieurs ondes sonores qui se succèdent.

Caractéristiques des ondes périodiques

Une onde périodique possède deux caractéristiques fondamentales qui sont l'amplitude et la fréquence.

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En haut, les molécules d'air déformées par des ondes sonores. En bas, on mesure la pression de l'air en fonction du temps.

L'amplitude désigne la puissance du phénomène mesuré, en l'occurence la différence de pression de l'air.

La fréquence mesure le nombre d'oscillations complètes du phénomène par seconde. Au moment où une onde passe, la pression augmente, puis elle redescend, et au moment où elle repasse par sa valeur d'origine, BOUM ! une oscillation. Si dix ondes sonores passent en une seconde, la fréquence est donc de 10 Hertz. Le Hertz est l'unité qui veut dire par seconde et son abréviation est « Hz ».

Évidemment, la simulation est ralentie dans un but pédagogique. Dans le monde réel, la plupart des ondes sonores ont des fréquences de plusieurs centaines, voire milliers de Hertz.

L'impact de la fréquence et de l'amplitude sur le son

Avez-vous noté de quelle manière chacune de ces deux caractéristiques impacte le son généré ?

Les plus sagaces d'entre vous auront noté les relations suivantes :

  • l'amplitude est liée au volume du son ;
  • la fréquence est liée à la hauteur du son.

Spectre auditif

Techniquement, il n'existe pas de limitation à la fréquence d'une onde sonore, qui peut varier de zéro à l'infini.

Dans la pratique, l'oreille humaine n'est pas capable de percevoir toutes les fréquences. Ainsi, on n'entendra généralement pas les sons dont la fréquence est inférieure à 16 Hz (ce sont les infrasons) ni supérieure à 16000 Hz (ce sont les ultrasons). Cette plage de fréquences que l'oreille humaine peut percevoir est ce qu'on appelle le spectre audible.

Notez toutefois que l'audition est le sens qui connaît la détérioration la plus rapide avec l'âge. Beaucoup de jeunes adultes sont incapables de percevoir de très basses ou très hautes fréquences que peuvent entendre des enfants. Heureusement pour nous, les informations les plus importantes (la voix, les sons naturels qui nous entourent) se trouvent plutôt vers le milieu du spectre, et cette détérioration naturelle rapide de l'audition n'est généralement pas handicapante avant un âge avancé.

Relation entre fréquence et hauteur

Enfin, il reste une importante expérience à réaliser : voici une courbe qui permet de visualiser la relation entre la fréquence d'un son en Hertz et sa hauteur perçue, c'est à dire si le son nous semble plus ou moins grave ou aigu.

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Relation entre la fréquence d'un son et sa hauteur perçue. Cliquez n'importe où sur le graphe pour entendre un son de la fréquence correspondante. Notez que la courbe n'est pas une ligne droite ; il s'agit d'une relation logarithmique.

La relation entre ces deux valeurs n'est pas linéaire mais logarithmique. Concrètement, cela signifie que nous entendrons un énorme écart de hauteur entre deux sons de 200 Hz et 400 Hz, mais très peu entre 1800 Hz et 2000 Hz (par exemple) ; pourtant, il y a le même écart de fréquence entre ces deux paires de sons, à savoir 200 Hz.

Qu'est-ce que cela signifie pour nous ? Simplement que quand nous allons réfléchir aux sons en terme de fréquence, nous allons multiplier les valeurs au lieu de les additionner. Ainsi, si un son a une fréquence de 200 Hz, et que je veux obtenir un son deux fois plus aigu, je vais devoir multiplier la fréquence par deux pour obtenir 400 Hz ; si je veux à nouveau un son deux fois plus aigu, je multiplie à nouveau par deux pour obtenir 800 Hz, etc. Nous y reviendrons.

En résumé

Le son est une déformation de l'air qui se propage sous forme d'onde périodique. D'un point de vue physique et mathématique, une onde possède deux caractéristiques : la fréquence et l'amplitude.

La fréquence désigne le nombre d'oscillations de l'onde par seconde. Plus la fréquence augmente, plus le son résultant est perçu comme aigu.

L'amplitue désigne la force de la déformation. Plus l'amplitue augmente, plus le son est perçu comme fort.