Son, perception et musique

Dans le dictionnaire, le son est qualifié de « sensation auditive engendrée par une onde acoustique », mais il existe bien d’autres définitions… En physique, on définit le son, ou plutôt ce qui génère la sensation de son, comme une onde progressive mécanique périodique tridimensionnelle et longitudinale. 

Explication…

L’onde est une perturbation de la matière via un transfert d’énergie sans transport de ladite matière. Cette énergie ainsi transportée correspond à la pression exercée sur un milieu gazeux, liquide ou solide, cette pression étant à l’origine du son. Notons que des ondes mécaniques peuvent se croiser sans perturbation (lors d’un concert par exemple le son de chaque instrument ne perturbe pas celui des autres).

• Une onde dite progressive signifie qu’elle n’est pas confinée mais qu’elle se déplace dans l’espace.
• Une onde dite mécanique ou matérielle fait référence à la perturbation de la matière qu’elle provoque, ce par opposition aux ondes électromagnétiques qui peuvent se propager dans le vide. Le son est ainsi une onde de pression à l’origine de mouvements mécaniques de l’air.
• Une onde est dite périodique par opposition au bruit qui n’est pas ainsi « organisé », le son est donc une onde périodique avec une perturbation de la matière qui se reproduit à l’identique et à intervalles réguliers.
• Une onde tridimensionnelle se propage dans toutes les directions de l’espace.
• Une onde est longitudinale si la matière est perturbée de façon parallèle c'est-à-dire qu’elle se propage par « couches », une pression est appliquée à une couche de matière qui transmet cette pression à une autre couche située à ses côtés, et ainsi de suite jusqu’à ce que l’onde parvienne à nos oreilles et sera transformée en influx nerveux. Une onde peut être également transversale, cela signifie que la perturbation de la matière s’effectue dans une direction perpendiculaire à la propagation de l’onde. 

Une onde sonore est caractérisée par trois paramètres essentiels, liés entre eux : sa vitesse, sa fréquence et sa longueur d’onde.

Au niveau musical on s’intéresse surtout aux trois grandeurs « physiologiques » : la fréquence ou la hauteur du son, l’amplitude ou l’intensité, le timbre du son qui est déterminé par la forme de l’onde sonore :

La fréquence d’un son indique le nombre d’oscillations complètes de l’onde effectuées par seconde. Elle s’exprime en Hertz (Hz), mesure équivalente à une seconde^-1. Ainsi une fréquence de un hertz signifie que l’onde effectue une oscillation complète (d’une longueur égale à la longueur d’onde) en une seconde. La période est l’inverse de la hauteur et s’exprime donc en seconde et nous donne la durée que met une onde à parcourir une distance d’une longueur d’onde (une oscillation complète). En musique, la fréquence est plutôt désignée par le nom de hauteur : plus la fréquence d’un son est élevée, plus celui-ci est aigu. On parle de sons graves pour une fréquence inférieure à 500 Hz, de sons mediums pour des fréquences comprises entre 500 et 3000 Hz et de sons aigus pour des fréquences supérieures à 3000 Hz.

L’intensité d’un son ou son volume est déterminée par l’amplitude de l’onde : plus l’onde est ample, plus l’intensité du son est forte. L’amplitude est l’écart maximal de la grandeur qui caractérise l’onde. Pour le son, onde de compression, cette grandeur est la pression. L’amplitude sera donc donnée par l’écart entre la pression la plus forte et la plus faible exercée par l’onde acoustique.

Le timbre est la caractéristique du son qui permet de différencier deux sons de même hauteur et de même intensité. Par exemple un même son joué à même volume et même fréquence ne parait pas identique s’il est joué au piano ou à la guitare. Cette sensation de différence est due au timbre qui est la « forme » du son. Les sons peuvent ainsi être de différents types qui sont déterminés par leur timbre : les sons purs (via un diapason), les sons complexes ou riches (émis par la voix ou par la plupart des instruments de musique). 

Remarque : la célérité ou vitesse d’un son ou d’onde est indiquée par sa longueur d’onde et sa fréquence (donc aussi par sa période, puisque cette dernière est l’inverse de la fréquence). Cette vitesse de propagation dépend des paramètres relatifs au milieu dans lequel l’onde évolue : la température, la densité et de l’élasticité du milieu. Ainsi, plus le milieu et dense et moins il est élastique, plus l’onde sonore se déplace rapidement les atomes du milieu se rencontrant dans un intervalle de temps plus court et transmettent ainsi le mouvement de la matière plus rapidement. L’onde sonore est en fait inversement proportionnelle à l’élasticité du milieu. Les solides sont plus denses que les liquides et les liquides sont plus denses que les gaz donc à température identique d’où :

V son (solide) > V son (liquide) > V son (gaz). Par exemple, la vitesse du son atteint 6400 m/s dans l’aluminium, contre 1425 m/s dans l’eau et seulement 340 m/s dans l’air.

Un son peut être généré via un dispositif naturel (la gorge de l’homme par exemple) ou artificiel (les instruments de musique), il doit être composé de deux parties essentielles : un système mécanique vibrant et une structure résonnante.       

La source vibrante provoque un mouvement de l’air ou d’un autre milieu environnant, d’avant en arrière, pour générer une onde acoustique qui aura donc la même fréquence que la source vibrante. Le son sera audible par l’homme s’il est dans les limites de sa perception (par ex en dessous de 16Hz, rien ne sera entendu car l’onde sera infrasonore pour l’homme).

• Pour l’homme : la structure vibrante est constituée par les cordes vocales, celles-ci nous permettent de faire varier la fréquence du son émis grâce à leur tension modulable.
• Pour un diapason : ce sont directement ses branches que l’on fait vibrer.
• Pour les instruments à cordes : les cordes entrent en vibration d’une manière libre (cordes frappées ou pincées) ou d’une manière forcée (cordes frottés).
• Pour les percussions : le plus souvent le son est produit par l’intermédiaire de la vibration de la membrane qui recouvre l’instrument.
• Pour les instruments à vents : l’air entre en vibration au niveau de l’embouchure créant une série de remous et de tourbillons, il existe plusieurs groupes :
  1. Les bois, dans lesquels les vibrations sont engendrées par l’anche (fine lame de bois fixée sur le bec de l’instrument) sous le souffle du musicien.
  2. Les cuivres, qui font entrer l’air en vibration par la vibration même des lèvres du musicien.

La structure résonante a pour but de rendre les sons audibles en amplifiant les sons qui lui parviennent. Cette partie du dispositif est responsable de l’émission sonore.    

• Pour l’homme : le rôle de la structure résonante est joué par la gorge (notamment par le larynx et le pharynx) et la cavité bucco-nasale. Précision : Ces considérations s'appliquent aux sons voisés, par opposition aux sons soufflés, tels que "ch" dans "chut" ou "f" dans "fête", qui ne requièrent pas l'usage des cordes vocales. En temps normal, les cordes vocales sont relâchées et n'obstruent pas le larynx, de telle sorte que l'air puisse y circuler librement.
• Pour les instruments de musique : cette fonction est remplie généralement par l’air d’une caisse ou d’un tube associé à l’excitateur. Fonctionnement d’une caisse de résonance : lorsqu’une onde sonore rencontre une paroi, une partie du son est absorbée et l’autre réfléchie. Lorsque les ondes se rencontrent, elles s’additionnent et le son qui en résulte est plus fort, c'est pourquoi l'on parle alors d’amplification.

Particularités des sons des instruments de musique : fondamentales, harmoniques et ondes stationnaires

Lorsqu’on fait vibrer une corde ou quand on souffle dans un instrument à vent, on obtient un son musical (riche). Ce son est en fait la résultante de vibrations en mode fondamental (ou premier harmonique) et aux harmoniques.

Cas des instruments à vent

Le phénomène des ventres et des nœuds stationnaires se reproduit dans la plupart des instruments à vent surtout ceux munis d’un tube. Pour certaines fréquences, l’air va subir des oscillations forcées et le tube va entrer en résonance. Ces fréquences possèdent les mêmes caractéristiques que celles des cordes, ce sont les fréquences propres du tubes, fondamentale et harmoniques.

Dans ces tubes se produisent aussi, comme pour les cordes, des ondes stationnaires. Celles-ci sont soit issues de la réflexion de l’onde incidente sur une extrémité fermée, soit sur une embouchure. En effet, lorsque l’aire de propagation de l’onde varie brutalement, on observe une certaine réflexion de cette onde.

Cas des cordes

Lorsqu’une corde tendue entre en vibration, on peut obtenir plusieurs cas de figure.

On peut faire subir à la corde des oscillations forcées. Pour une certaine fréquence du courant qui parcourt la corde, on observera un seul fuseau : on dit que la corde vibre selon son mode fondamental, ou premier harmonique. Si on double cette fréquence, on observera deux fuseaux, si on la triple, trois fuseaux etc.… Pour ces autres fréquences, les modes de vibration sont appelés harmoniques. Quand il se produit ainsi des fuseaux importants, on dit que la corde entre en résonance. Par contre, si on choisit une fréquence qui n’est pas un multiple entier de la fréquence fondamentale, les oscillations seront beaucoup moins amples presque indétectables. Ces fréquences pour lesquelles la corde vibre avec une amplitude importante sont appelées fréquences propres de la corde. Les modes fondamental et harmonique correspondent donc à certaines fréquences.

Lorsque l’on pince une corde, il se produit un autre phénomène : l’onde va se réfléchir sur les extrémités. Les ondes incidentes et réfléchies vont alors se superposer et former des ondes stationnaires. La variation d’amplitude constante est à l’origine du son : la corde va imprimer une pression sur l’air de bas en haut et de haut en bas, et ceci d’une manière périodique. L’onde longitudinale progressive se transforme ainsi, par l’intermédiaire d’une onde stationnaire, en l’onde longitudinale qu’est le son. Ce dernier aura donc pour fréquence celle de l’onde qui parcourt la corde.

Ce modèle n’est pas l’exacte reproduction des phénomènes qui se produisent sur une corde d’un instrument de musique. En effet, les cordes d’un instrument sont fixées à leurs deux extrémités, ce qui provoque une réflexion de l’onde sur les deux côtés de cette corde.

Composition du son musical

Les sons musicaux sont des sons composés (ou riches). Effectivement, comme ce terme l’indique, un son musical provient d’un son composé, non par une unique fréquence fondamentale ou harmonique, mais par un ensemble constitué d’une fréquence fondamentale et de plusieurs harmoniques. Par exemple, le son d’un diapason est dit pur, il n’est donc formé que par une seule fréquence fondamentale. Les sons musicaux se décomposent donc en plusieurs fréquences.

Perception de la musique

La sonie concerne la force sonore au sens physiologique. C'est la sensation que provoque un son suivant bien sur la fréquence de la note jouée mais surtout suivant la pression acoustique. Pour provoquer une sensation à l'oreille pour une fréquence de 4000 Hz, la variation seuil de pression suffit, alors que pour une fréquence de 50 Hz, il faut une variation de pression 1000 fois supérieure. Il est donc normal que le seuil de douleur diffère avec les fréquences. On remarque par exemple que pour des fréquences allant de 1000 à 6000 Hz, les sons paraissent beaucoup plus forts, alors que les niveaux de pression sont égaux. 

La dynamique et les instruments de musique

La dynamique est une caractéristique propre à un instrument de musique et, par extension, à chaque partition musicale. Son étude permet de connaître la variation maximum d'émission, du son grave à l'aigu, et l'écart le plus grand possible entre les sons fortissimo et les sons pianissimo.

Ainsi, les musiques présentant de grandes différences de dynamiques auront la particularité d'avoir des niveaux de perception de sons très faibles à certains moments et très forts à d'autres. Quant aux musiques à faible dynamique, elles présenteront un niveau relativement constant pour l'auditeur ce qui présentera l'inconvénient de ne pas offrir à l'oreille de temps de repos pour le système auditif. C'est le cas par exemple de la musique compressée qui est diffusée à la radio.

Il est l'expression conjointe des informations de deux nerfs qui se rejoignent avant le cerveau sous le nom de nerf auditif ou nerf VIII : le nerf vestibulaire, issu du vestibule membraneux, et le nerf cochléaire, issu du limaçon (ou cochlée), transmettent des informations sur le son relatives à la fréquence, l'intensité et à la composition des vibrations, ainsi que celles qui se rapportent à la position de la source sonore dans l'espace. Précisons que, pour la position de l'origine du son, la forme des canaux semi-circulaires formant l'origine d'un plan en trois dimensions a une très grande importance puisque les trois dimensions sont représentées par ces trois canaux.

Le nerf VIII ne contient pas moins de 35000 fibres nerveuses (soit 10 par cellule ciliée) qui transmettent au cerveau des informations identiques entre elles. Ce nerf pénètre dans le tronc cérébral au niveau du bulbe rachidien. Après plusieurs relais synaptiques, les fibres auditives parviennent à l'écorce cérébrale : elles sont alors cent fois plus nombreuses car le nombre de neurones disponibles augmente à chaque relais. Il faut moins de vingt millisecondes pour que les ondes sonores soient transmises au cerveau sous la forme d'un stimulus nerveux. Le traitement simultané de l'information sensorielle par le cortex auditif permet de garder au message sa globalité et son intelligibilité initiale : l'individu entend, localise et comprend le son.

La perception humaine du son

Les mêmes sons ne sont pas perçus de la même façon par des individus et cela est bien souvent dû une différence d'âge. De plus, deux sons de même fréquence peuvent être entendus de façon différente grâce à des variations des conditions d'écoute.

Tout d'abord, on sait que le son est défini de deux manières : c'est tout d'abord pour les physiciens le phénomène physique d'origine mécanique consistant en une variation de pression correspondant à une onde. Mais il peut être défini également d'une manière subjective : la sensation procurée par cette onde, qui est reçue par l'oreille puis transmise au cerveau et déchiffrée.

L'oreille humaine ne perçoit pas tous les sons, au contraire, elle n'en entend qu'une petite partie : il s'agit des ondes dont la fréquence est comprise entre 20 et 20 000 Hertz. On parle, au-dessus de 20 000 Hz d'ultrasons et en dessous de 20 Hz d'infrasons.

L'oreille, par l'intermédiaire du tympan, peut mesurer une variation de pression infime de l'ordre de 2.10-5 Pa (pascal) alors que la pression atmosphérique est de 100 000 Pa environ. Cette variation seuil correspond à un son de 0 décibel (dB) mais peut bien sûr varier avec l'âge et l'état des différents étages de l'oreille. Quant au maximum supportable, il correspond à une pression de 20 Pa. Ainsi, le niveau sonore gradué en décibels allant de 0 à 120 dB pour des sons audibles sans conséquences, peut atteindre le seuil de douleur s’il est supérieur à 120 dB. C'est le cas des bangs des avions supersoniques ou du bruit des réacteurs d'avion en fonctionnement.

Exemples de niveaux sonores en dB

• Silence 0-10 dB Laboratoire d'acoustique, désert…
• Très calme 11-25 dB Feuilles agitées par le vent, conversation à voix basse…
• Assez calme 26-50 dB Appartement normal, restaurant tranquille…
• Bruits courants 51-75 dB Grands magasins, circulation importante…
• Pénible 76-95 dB Klaxons d'autos, radio très puissante…
• Difficilement supportable 96-120 dB Marteau piqueur, concert sonorisé de rock…
• Seuil de douleur +de 120 dB Réacteurs d'avions, bang d'un Mirage III…

Remarque : les sons entendus dans le même temps ne s'additionnent pas de façon linéaire. Deux sons de 75 dB donnent, "additionnés", un son de 78 dB. C'est la différence entre les deux niveaux sonores qui permet de savoir quel niveau final on obtient.

Les effets néfastes du bruit

Le bruit, défini par une accumulation de sons non ordonnés entre eux, a des effets sur l'organisme dès 75 dB : c'est en effet à partir de ce niveau sonore que la tension artérielle et le rythme cardiaque s'élèvent à cause des informations de danger diffusées par le cerveau. Car dès ce niveau d'écoute, des lésions peuvent survenir au niveau des cellules auditives, du tympan, ou pire encore du nerf auditif lui-même. Ces lésions ne sont pas perçues immédiatement par un individu jeune, qui possède des réserves, avant d'être ressenties, l'âge avançant… il convient donc de préserver nos cellules en évitant des overdoses de puissance musicale dépassant la norme internationale qui limite les expositions sonores, dans le milieu du travail, à une exposition à 105 dB, seulement 45 minutes par jour. Il existe également nombre de maladies de l'oreille comme la mastoïdite, affection des cellules mastoïdiennes, ou encore les acouphènes, qui sont des bruits gênants émis par l'oreille interne suite à un blast, choc sonore comme celui d'un pétard du 14 juillet… La capacité auditive décroît plus ou moins dans la vie de chaque être humain. En effet une exposition prolongée à des bruits forts (en usine par exemple) détruit progressivement les cellules auditives. Les cellules les premières touchées sont celles transmettant les sons aigus. De plus, il n'existe pas de réserves infinies de remplacement des cellules auditives et particulièrement des cellules ciliées. On peut donc devenir sourd de trois façons :

• Lorsque la transmission oreille externe à moyenne ne se fait plus (tympan altéré)
• Lorsque la perception n'est plus réalisée par les cellules ciliées
• Lorsque ces deux phénomènes sont présents en même temps

On peut donc conclure que la perception des sons et du bruit doit toujours se faire sans excès car l'oreille est un organe fragile à tous ses niveaux (externe, moyen et interne) et qu’une perte d'audition est très vite arrivée et est souvent irréversible.

Le son, ou plutôt l’onde acoustique, n’est-il utile qu’à la musique ? 

Certains pensent très sérieusement à en faire une réelle source d’énergie...