Son (physique) Article, Signification, Explication

Table of contents

1 Généralités 2 Fréquence et hauteur 3 Amplitude et force 3.1 Unité de mesure 3.2 Différentes définitions de l'amplitude 4 Timbre 5 Espace-temps 6 Enregistrement 7 La musique 7.3 Notes et fréquences 7.4 Tessiture 7.5 Harmoniques et accords 8 Le son et l'informatique 8.6 L'acquisition 9 Voir aussi

Généralités

Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide sous forme d'ondes longitudinales, produites par une source vibrante et entretenues grâce à l'élasticité du milieu environnant. La science qui étudie les sons s'appelle l'acoustique. La psychoacoustique combine l'acoustique avec la physiologie pour déterminer la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau.

• Dans un milieu compressible, le plus souvent dans l'air, le son se propage sous forme d'une variation de pression que lui communique par exemple un haut-parleur. Notons que seule la compression se déplace et non les molécules d'air, si ce n'est de quelques micromètres. Lorsque l'on observe des ronds dans l'eau, les vagues se déplacent mais l'eau reste au même endroit, elle ne fait que se déplacer verticalement et non suivre les vagues (un bouchon placé sur l'eau reste à la même position sans se déplacer). Pour cette raison, il n'y a pas de « vent » devant un haut-parleur.
• La vitesse de propagation du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l'air est proche d'un gaz parfait, la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son. Les ondes sonores se déplacent à environ 344 mètres par secondes dans de l'air à 20 °C, qu'on peut approximer à environ 1 km toutes les 3 secondes, ce qui est utile pour mesurer grossièrement la distance d'un éclair lors d'un orage. Dans l'eau, sa vitesse est de 1482 m/s et dans l'acier de 5050 m/s. Le son ne se propage pas dans le vide, car il n'y a pas de matière pour supporter les ondes produites.

Fréquence et hauteur

La fréquence d'un son est exprimée en Hertz (Hz), elle est directement lié à la hauteur d'un son pour un musicien. Une fréquence faible correspond à un son grave, une fréquence élevée à un son aigu.

Tout être vivant doté d'une ouïe ne peut percevoir qu'une partie du spectre sonore.

• L'oreille humaine moyenne n'est pas capable de percevoir les sons de fréquence inférieure à 30 Hertz (les infrasons) ni ceux de fréquence supérieure à 15 kHz (les ultrasons).
• Le chat peut percevoir des sons jusqu'à 25kHz.
• Le chien perçoit les sons jusqu'à 35kHz.
• La chauve-souris et le dauphin peuvent percevoir les sons de fréquence 100kHz.

Certains animaux utilisent leur aptitude à couvrir une large bande de fréquences à des fins diverses :

• Les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance.
• Les dauphins communiquent grâce aux ultrasons.
• Les chauve-souris utilisent les ultrasons avec leur système d'écho location leur permettant de se déplacer dans le noir total.

λ: Longueur de l'onde

F: fréquence
Longueur d'onde et fréquence dans l'air

Amplitude et force

Une autre caractéristique importante d'un son est son amplitude. Il peut être fort ou doux. Dans l'air cela correspond à des variations de pressions grandes ou petites selon que l'air est fortement comprimé ou non.

Unité de mesure

Là où habituellement la pression est mesurée en Pascals, en acoustique la force d'un son se mesure en décibels (dB). C'est une unité qui utilise le logarithme soit du rapport de l'intensité sonore sur l'intensité de référence (10^-12W.m^-2), exprimées en Watts par mètre carré ; ou bien du rapport de la pression produite sur la pression de référence (2.10^-5 Pa), exprimées en Pascals. Elle a été choisie ainsi parce que cela permet d'avoir des chiffres aisément manipulables, qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits, et parce que cette approche correspond mieux à ce que perçoit l'oreille humaine en terme de volume sonore. Mais attention, la notion de puissance sonore ne donne qu'une vague idée du volume perçu, car il faut prendre en compte la sensibilité de l'oreille, qui varie principalement selon la fréquence du son (l'oreille est moins sensible aux basses fréquences). Une meilleure approximation du volume perçu est donnée en dBA ou décibels acoustiques, qui peut être mesuré électroniquement après filtrage du signal par un filtre à pondération A (il existe aussi les pondérations B et C adaptées aux mesures de sons d'intensités plus grandes).

0 dB correspond au minima que l'oreille humaine peut percevoir appelé seuil d'audibilité, et non au silence absolu. Cette valeur a été choisie par expérimentation pour un son de fréquence 1000 Hz, elle vaut 10^-12 W.m^-2, mais la plupart des personnes ont un seuil d'audibilité supérieur à 0 dB (environ 4 dB). Les seuil de douleur est de 130dB, mais l'oreille peut subir des dommages à partir de 85dB (voir Psychoacoustique). Il suffit de changer la référence de puissance ou de pression (P₀ ou W₀ dans les formules ci-dessous) pour que l'échelle des volumes soit complètement changée. C'est pourquoi les décibels gradués sur le bouton de volume d'une chaîne Hi-fi ne correspondent pas du tout à des niveaux acoustiques mais à des puissances électriques de sortie de l'amplificateur, ce qui n'a quasiment rien à voir, la valeur 0 dB représentant bien souvent la puissance maximale que l'amplificateur est capable de délivrer.

Figure 3a: Niveau de bruit en pression	Figure 3b: Niveau de bruit en puissance

Différentes définitions de l'amplitude

Il existe plusieurs façons de mesurer l'amplitude d'un son, et par extension, d'un signal quelconque de nature ondulatoire :

• l'amplitude moyenne (la valeur moyenne arithmétique du signal positif)
• l'amplitude efficace (amplitude continue équivalente en puissance)
• l'amplitude crête (maximale positive)
• l'amplitude crête à crête (l'écart maximal d'amplitude positive et négative)

Dans la pratique, l'amplitude moyenne présente peu d'interêt et n'est pas utilisée. En revanche, la valeur efficace ou RMS, pour Root Mean Square en anglais, soit la valeur quadratique moyenne du signal est universellement adoptée pour mesurer la valeur des tensions alternatives, dans le cadre général autant qu'en acoustique. Un amplificateur qui est donné pour 10 watts RMS fera 14 watts en crête et 28 watts en crête à crête (aussi noté cc). Les mesures de puissance crête à crête sont assez souvent appelées « watts musicaux » par les vendeurs de matériel audiovisuel car les chiffres sont plus flatteurs.

Timbre

Le timbre détermine la "couleur" du son, il est différent pour chaque type de source sonore et différencie, à l'oreille, deux sons qui auraient la même fréquence fondamentale et la même force. Ce qui caractérise le timbre, c'est la complexité du son, les divers éléments primaires qui le composent et qui une fois combinés donnent un son riche. Attention toutefois, car le timbre n'est qu'un aspect de la véritable expression sonore, il ne précise pas la force d'attaque, le piqué, le vibrato,... tout ce qui constitue l'évolution temporelle du son. Il correspond plus à une définition fréquentielle du son plutôt qu'une définition temporelle, mais il est possible de représenter l'enveloppe sonore (son amplitude en fonction du temps) afin de décrire son timbre.

Un son pur a une forme sinusoïdale. C'est la forme la plus simple d'onde qui puisse exister, en terme de richesse harmonique, mais rarement observée dans la nature. Le diapason est un instrument de musique simpliste qui est capable de produire un son très proche du son pur. Les sons naturels sont plutôt constitués d'un grand nombre de partiels, c'est-à-dire un ensemble de sinusoïdes de fréquences et d'amplitudes diverses. Cependant, les sons produits par des instruments de musique tendent à être périodiques, dans ce cas les partiels sont appelés harmoniques, et chacune de leurs fréquences est un multiple de la fréquence fondamentale, qu'on peut voir comme la fréquence de base du son produit.

Espace-temps

Comme en musique, le temps joue un rôle fondamental en acoustique. Il existe même des relations très étroites entre l'espace et le temps, vu que le son est une onde qui se propage dans l'espace au cours du temps.

On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques :

• Périodiques : Signaux dont la forme se répète dans le temps (à l'identique)
• Aléatoires : Signaux qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. Dans ce qui suit, et d'une manière générale, on ne s'intéresse qu'à un ensemble restreint de ces signaux ; ceux qui ont des caractéristiques statistiques stables dans le temps. On les appelle signaux aléatoires ergodiques. Concrètement c'est le cas des bruits « blanc ou rose » utilisés par les scientifiques et certains artistes.
• Impulsionnels : Signaux qui ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.

Tous les signaux peuvent être définis et analysés indifféremment dans l'espace temporel ou dans l'espace fréquentiel. Dans ce dernier, on aura souvent recours à l'utilisation du spectre du signal, calculé depuis sa définition fréquentielle (dite du domaine de Fourier). Le spectre d'un signal représente les différentes « notes » ou sons purs que contient un son, appelés partiels. Dans le cas d'un signal périodique stable comme une sirène, le spectre n'évolue pas au cours du temps et présente une seule valeur appelée « raie ». Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison d'un ensemble de « sons purs » qui sont des sinusoïdes. Voir à ce sujet l'article sur la transformée de Fourier.

Enregistrement

Article détaillé : Enregistrement sonore

La musique

La musique est l'art de combiner les sons en termes de mélodie et/ou d'harmonie (notamment). En ce qui concerne la musique occidentale tout du moins, la notion essentielle (mais subjective) est celle de la consonance qui est intimement liée au phénomène des sons harmoniques. Cependant, et depuis des siècles, les musiciens et les théoriciens ont buté sur l'impossibilité d'aboutir à la définition d'une échelle musicale « idéale ». En effet, un des pré-requis – parfois inconscient – de la musique, le principe de l'équivalence des octaves, est à la fois une exigence auditive considérée comme incontournable, et en même temps incompatible avec les règles algébriques mises en œuvre dans la théorie des sons harmoniques.

Un exposé complet des problèmes posés fait l'objet de l'article gammes et tempéraments et de plusieurs articles associés.

Afin de fixer les idées, voici la comparaison de quelques termes musicaux et scientifiques. Dans la plupart des cas ces comparaisons ont quand même des limites car les termes utilisés par les mélomanes décrivent plus les perceptions de l'oreille humaine que les phénomènes physiques.

Notes et fréquences

Une note de musique est caractérisée entre autres par sa hauteur et cette hauteur peut être assimilée à la fréquence fondamentale de la note. On peut ainsi calculer la fréquence des notes « tempérées » avec la formule suivante:

Les constantes '3' et '10' de la formule permettent de choisir ref comme étant le la à 440 Hz de l'octave 3, on s'accorde ainsi avec la norme fixée par la Conférence Internationale de Londres en 1953, et on peut ainsi déterminer précisément les autres fréquences pour les tons de 1 à 12 soit de do à si.

Fréquence des notes

note	fréquence
si# / do	261,6 Hz
do# / réb	277,2 Hz
ré	293,7 Hz
ré# / mib	311,1 Hz
mi / fab	329,7 Hz
mi# / fa	349,2 Hz
fa# / solb	370,0 Hz
sol	392,0 Hz
sol# / lab	415,3 Hz
la	440 Hz
la# / sib	466,2 Hz
si / dob	493,9 Hz

Le tableau ci-dessus donne les fréquences des notes dans l'octave du la de référence (octave 3). Il faut multiplier les fréquences par 2 pour une octave au dessus, et les diviser par 2 pour une octave en-desous.

Notons que d'une part ceci ne concerne que les note de la musique européenne, et que d'autre part cette formule ne s'applique qu'à la gamme tempérée et ne différencie pas les demi-tons diatoniques et chromatiques (voir aussi Comma). Par ailleurs, assimiler fréquences et notes est loin d'être suffisant pour caractériser une note jouée par un instrument. Il faut aussi pouvoir prendre en compte si une note est piquée (pizzicato) ou liée (legato), préciser de quel instrument elle provient, sans compter tous les effets possibles tels que le glissando, le vibrato, etc. Pour cela, il convient de représenter une note par l'évolution de son spectre au cours du temps. Il est ainsi possible de voir sur un « sonogramme » l'évolution de toutes les harmoniques.

Tessiture

Étant donnée sa définition, la bande passante d'un appareil peut être assimilée à la tessiture d'un instrument. Dans les deux cas on décrit bien l'étendue de fréquences ou de hauteurs dont est capable un instrument. En revanche, la note la plus élevée que peut jouer un instrument correspond seulement à la fréquence fondamentale donnée dans le tableau ci-dessus. En d'autres termes, si l'on souhaite enregistrer un instrument il faut prendre un appareil ayant une bande passante nettement supérieure à la tessiture de cet instrument si l'on souhaite conserver la couleur des notes des octaves supérieures. Une bande passante trop courte filtrera toutes les fréquences harmoniques des notes des octaves supérieures ce qui en dénaturera la sonorité. Dans la pratique, on prendra toujours un appareil ayant au minimum les capacités de l'oreille humaine, soit 20 Hz à 20 kHz, voir plus car la distortion harmonique apparaît bien en deçà de ces valeurs.

Harmoniques et accords

En regardant attentivement le tableau des fréquences de notes ci-dessus, les musiciens vont trouver une correspondance entre les fréquences harmoniques d'une note et celles qui constituent les accords. Les harmoniques d'une note sont données par les fréquences multiples de la fondamentale. Ainsi pour un do 0 à 32,7 Hz les harmoniques sont :

Harmonique	1	2	3	4	5	6	7	8
Fréquence	32,7	65,4	98,1	130,8	163.5	196,2	228,9	261,6
Note	Do	Do	Sol	Do	Mi	Sol	Si b	Do

On retrouve bien les raisons pour lesquelles un accord est parfait (do-mi-sol-do) ou de 7^e (do-mi-sol-si b) : les fréquences des notes de l'accord sont en concordance avec celle de la note fondamentale.

Le son et l'informatique

Depuis que les ordinateurs personnels sont équipés en standard d'une carte son, il est devenu à la portée de tous d'enregistrer et de traiter numériquement du son. De nombreux professionnels commencent à se tourner vers des solutions numériques, moins onéreuses et qui offrent une foule de possibilités sans nécessiter de matériel spécifique pour chaque tâche à effectuer. La principale limitation concerne la puissance de calcul, et les cartes son haut de gamme offrent de nombreuses entrées et sorties analogiques et numériques pour relier synthétiseurs et tables de mixage.

L'acquisition

Quand nous allons vouloir traiter du son avec un ordinateur, nous allons procéder à son acquisition. Cette opération consiste à transformer les variations de pression du son, en une suite de nombres que les moyens informatiques pourront traiter. On appelle cette transformation l'échantillonnage du signal. Pour cela, on utilise un microphone qui convertit les variations de pressions de l'air en signaux électriques que l'on relie a un convertisseur analogique-digital (CAD ou ADC en anglais, pour Analog to Digital Converter) qui va numériser ce signal à pas régulier, le transformer en une suite de nombres. Ce travail est généralement réalisé par les cartes son sur les ordinateurs personnels.

Voir aussi

• Perception acoustique
• Musique
• Gamme musicale
• Technologies des musiques amplifiées

Article original : John Perr dans Linux Focus http://www.linuxfocus.org/Francais/, Mars 2003''

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