1) Emission et caractéristiques du son

    A-Qu'entend-on par "son" ?

 

Dans la vie quotidienne, nos oreilles sont constamment sollicitées. Mais en réalité, ce qu'elles perçoivent peut parvenir sous des formes diverses : on distingue ainsi les sons purs ou simples, les sons complexes, la musique, le bruit...

 

Le son proprement dit est une onde mécanique périodique sinusoïdale, c'est-à-dire la propagation d'une perturbation mécanique dans un milieu matériel solide, liquide ou gazeux. Le son est une onde mécanique et non électromagnétique car il nécessite de la matière pour pouvoir se propager.

Dans le cas d'un milieu gazeux comme l'air, le son se traduit par  une onde de compression que l'on peut caractériser par la vibration de tranches d'air. Cette vibration qui crée des variations de pression se propageant sous la forme d'ondes.  Dans le temps, une telle vibration peut continuer à se propager sous formes d'ondes longitudinales grâce à l'élasticité du milieu.

Cependant, seule la vibration se propage et non les particules qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre. Les ondes sonores transportent donc de l'énergie mais elles ne transportent pas de matière.

 

Onde acoustique : succession de surpressions et de dépressions

 

Dans le domaine physiologique, le son désigne la sensation auditive qui est née de la vibration provoquée par la perturbation du milieu. Un son est donc aussi une impression physiologique enregistrée par notre cerveau lorsque les récepteurs sensoriels de l'oreille sont soumis à des vibrations mécaniques (voir 2) Réception du son)

             --- > 2 catégories de sons à distinguer...

• Les sons purs ou simples ne sont composés que d'une seule onde sonore, ils sont "purs". La représentation de l'onde sonore en fonction du temps prend la forme d'une courbe sinusoïdale de période P. Dans la nature, ils sont impossibles à produire. Le diapason émet généralement une onde, dont la fréquence se rapproche au plus possible de 440 Hz : le La 3. Elle est ainsi caractérisée par une fréquence, une longueur d'onde, un volume.

Exemple de son pur : courbe sinusoïdale

• Les sons complexes ou composés sont obtenus à partir d'une multitude d'ondes sonores qui se superposent, c'est-à-dire plusieurs sinusoïdes différentes (plusieurs sons purs différents). Les cordes vocales par exemple ne peuvent pas vibrer une par une et produisent donc des sons composés. En réalité, la plupart des sons qui paraissent "purs" résultent de plusieurs fréquences qui s'additionnent : ce sont des sons complexes. Les sons complexes peuvent être caractérisés par leur fréquence, leur timbre, leur rythme, leur mélodie. Dans la nature, la presque totalité des sons sont complexes. La musique est un exemple de son composé de plusieurs dizaines jusqu'à plusieurs milliers de notes lors des concertos par exemple.

 

Un son complexe en noir : l'addition des ondes sonores colorées

 

Par ailleurs, le bruit est un ensemble de sons qui dérange. L'onde sonore correspondante résulte de la combinaison de multiples ondes de façon très désordonnée, d'où la nuisance provoquée par le bruit. Contrairement à celle d'un son pur, le bruit n'a pas de fréquence, et ainsi, n'est pas une onde sonore périodique. Mais en physique, le son ne comprend pas la notion de "bruit".

                                                                                                                                                                                          

Exemple de l'onde sonore résultant d'un bruit

 

    B-Les caractéristiques physiques du son

 

Le son (le "bruit" exclu) est caractérisé par plusieurs grandeurs physiques.

Une onde sonore pure est caractérisée par trois paramètres liés entre eux : la vitesse de propagation V (en m.s^-1), la longueur d'onde λ (en m), la fréquence f (en Hz) et donc aussi la période T (en s).

• La vitesse ou célérité du son est :    V = λ.f avec f = 1/T  d'où V = λ/T. Cette vitesse de propagation dépend du milieu de propagation et notamment de sa densité. Dans l'air (à une température de 20°C) la vitesse du son est de 340 m.s⁻¹ , de 1482 m.s⁻¹ dans l'eau et de 5050 m.s⁻¹ dans l'acier (solide très dense). La célérité du son augmente avec la densité du milieu et dépend aussi de la température et de la pression du milieu. On obtient la propriété suivante :

                                  Vson(solide) > Vson(liquide) > Vson(gaz)

 

• La longueur d'onde correspond à la longueur d’une oscillation complète, c'est-à-dire la distance entre deux crêtes (deux zones de surpression). Elle ne s'applique donc qu'aux phénomènes périodiques.

Schématisation d'une longueur d'onde de formule λ= V/f

• La fréquence indique le nombre d’oscillations complètes de l’onde effectuées par seconde. Elle nous renseigne sur la durée que met une onde à parcourir la distance d’une longueur d’onde, soit le temps qu’elle prend pour réaliser une oscillation entière. Pour un son, on traduit la fréquence par le terme "hauteur". Plus la fréquence d'un son est élevée, plus le son est aigu. Plus la fréquence est faible, plus le son est grave. En clair, la hauteur d'un son est liée à la fréquence de l'onde correspondante. Par formule, on a f=V/λ en Hz. Un son de fréquence 20 Hz est très grave et à l'opposé, vers 20 kHz il s'agit de sons stridents et très aigus.

• L’intensité est liée à l’amplitude des vibrations sonores. L'amplitude est en fait l'écart entre un pic et un creux, plus cet écart est grand plus l'amplitude est grande. Lorsque l'amplitude de l'onde est grande, l'intensité est grande.Alors, le son est plus fort. L'intensité du son se mesure en décibels (dB).

L'intensité distingue un son fort d'un son faible

 

• Dans le cas de sons dont l'intensité et la hauteur sont identiques, on recourt au timbre pour les différencier. C'est la "forme" du son. En effet, deux sont peuvent avoir le même volume et la même fréquence fondamentale sans qu'ils soient identiques, ils n'auront jamais le même timbre. Il permet d'identifier un son d'une façon unique.  C’est grâce au timbre que l'on peut reconnaître la voix d’une personne ou encore que l'on distingue une même note jouée au piano ou au violon.

On parle aussi de coloration d'un son : sa qualité plus ou moins feutrée, métallique etc.

Même période mais un motif de base différent : un timbre propre

 

    C-Les instruments de musique

 

A présent, il nous semble utile d'expliquer le principe de fonctionnement des principaux types d'instrument de musique, les émetteurs par excellence des ondes sonores. On classe les instruments dans trois grandes familles : les vents, les cordes et les percussions. La création de sons par les instruments repose sur deux mécanismes artificiels : un système mécanique vibrant et une structure raisonnante.

Le système vibrant ou excitateur a pour fonction principale de produire une vibration, grâce à un corps élastique, qui va donner naissance à des ondes de compression de l'air, ou d’un autre milieu. On obtient une onde mécanique acoustique. Cette onde aura alors la même fréquence que celle à laquelle vibrera le système vibrant.

Le rôle de la structure raisonnante est de rendre les sons audibles : elle amplifie certains sons qui lui parviennent. C’est donc cette partie des deux mécanismes qui est responsable de l’émission sonore.
       

Les instruments à cordes :  pincées avec les doigts (guitare) ou avec un plectre (clavecin), frappées avec un petit marteau (piano) ou encore frottées avec un archet (violon, alto). La corde peut vibrer selon son mode fondamental ou harmonique.

Les percussions produisent un son grâce, généralement, à une interaction entre l'Homme et un excitateur. L'interaction est suivie d'un régime d'oscillations libres.

Les instruments à vents se divisent en deux parties.

  - Chez les bois, les vibrations sont engendrées par l’anche (lame de bois mince adaptée sur le bec de l’instrument) par le souffle du musicien.

  - Chez les cuivres, ce sont les vibrations des lèvres mêmes qui font entrer en vibration l'air, après un passage de celles-ci dans les tubes de l'instrument