Son et musique. Leçon 1
Les caractéristiques physiques d’une onde sonore, les sons purs
Sons purs
Les sons purs ou sinusoïdaux se rencontrent rarement dans notre quotidien. Ils sont produits par le diapason ou par des systèmes électroniques. Le LA du diapason à 440 Hz sert de référence aux musiciens pour accorder les instruments et quelle que soit la façon dont le diapason est excité, la fréquence de la vibration est toujours la même. Le son pur correspond à une unique fréquence et est représenté par un mouvement vibratoire simple, la sinusoïde.
Un son pur est constitué d’une oscillation simple ; pour caractériser cette onde il suffit de préciser :
- l’amplitude de celle-ci (dont dépendent sa puissance acoustique surfacique et son niveau en décibels) ;
- sa fréquence ;
- sa longueur d’onde.
La longueur d’onde : λ (lambda)
C’est la distance entre deux points correspondants (par exemple deux maximum successifs, distance en mètre entre deux crêtes consécutives). Elle est représentée par la lettre grec lambda. On la calcule facilement avec la formule : lambda = C/F. où :
c est la vitesse du son, dans le système étudié (dans l’air elle est de 344 m/s).
Le haut de la courbe s’appelle le pic et le bas s’appelle le creux.
La période : T
C’est le temps nécessaire pour accomplir une oscillation complète, ou un cycle. Elle s’exprime en secondes (s) ou en millisecondes (ms).
La célérité : C
C représente la célérité (vitesse de propagation du son dans un milieu) C = 340 m/s. Dans un autre milieu que l’air, il faudra remplacer C par la vitesse de propagation du son dans le milieu étudié. F est bien sûr la fréquence dont on veut connaître la longueur d’onde. Cette formule nous permet de dire que plus la fréquence est basse plus sa longueur d’onde est importante. La vitesse c’est la vitesse avec laquelle les perturbations se propagent et qu’il ne faut pas confondre avec la vitesse des molécules. Cette célérité dépend du milieu dans laquelle il se propage.
- Dans l’air à 0°C = 331,4 m/s
- eau douce à 15°C = 1440 m/s
- dans l’acier = 5900 m/s
Dans les gaz la célérité dépend de la pression atmosphérique, de la masse spécifique et de la température.
En ce qui concerne la célérité du son dans l’air en fonction de la température, on pourra appliquer la formule :
C = 20 racine carrée de T° en m/s
T° en température absolue.
la vitesse de l’onde sonore
Plus le milieu est dense, plus cette vitesse est grande. La lumière se propage à 300 000 km/sec dans le vide. Voilà pourquoi on entend le tonnerre après avoir vu l’éclair. C’est selon ce principe qu’en 1822 les physiciens Gay-Lussac et Louis Arago mesurèrent pour la première fois la vitesse du son dans l’air. Munis d’un chronomètre et d’une longue-vue, ils se postèrent à 20 kilomètres de distance d’une batterie de canon. Le temps s’écoulant entre la lueur s’échappant de la bouche du canon et la détonation leur permit de calculer une vitesse de propagation de 340 mètres par seconde.
Un siècle et demi plus tôt, Von Guericke (en 1672) montrait que la transmission d’un son ne pouvait se faire qu’en présence d’un milieu contenant une quantité de matière suffisante. Il plaça une sonnerie d’alarme sous une cloche de verre. A mesure qu’il pompait l’air sous la cloche, le son devint de plus en plus faible. Lorsque le vide fut quasi total, alors que l’on voyait l’alarme fonctionner, on n’entendait pas le son. Von Guericke montrait pour la première fois que le son ne se propage pas dans le vide.
La fréquence : F
La fréquence est le nombre de cycles effectué par l’onde par unité de temps. Elle s’exprime en Hertz. 1 Hz = 1 cycle par seconde. Ainsi à une fréquence de 100 Hz correspondent 100 cycles par seconde. On nommera couramment un son grâce à sa fréquence. En musique par exemple la note référence qui est le " La " est aussi nommée " La 440 " car sa fréquence est de 440 Hz. La fréquence est l’inverse de la période.
Son pur aigu : f = 3000 Hz
En musique, la fréquence est plutôt désignée par le nom de hauteur. Ainsi, plus la fréquence d’un son est élevée, plus celui-ci est aigu. On parle de sons graves pour une fréquence inférieure à 20 Hz, de sons mediums pour des fréquences comprises entre 500 et 3000 Hz, et de sons aigus pour des fréquences supérieures à 3000 Hz.
Pour un son grave, la distance entre deux crêtes est plus grande : il y a moins d’oscillations en une seconde que quand le son est plus aigu.
à gauche : Son pur grave : f = 300 Hz
à droite : Son fort et son faible : f = 300 Hz
L’amplitude : A
Les vibrations peuvent également « comprimer » les molécules d’air très fortement ou très faiblement. Cette compression s’appelle « amplitude ». L’amplitude maximale est la différence de hauteur entre le point le plus haut et le point le plus bas de la courbe. Elle représente donc la différence entre les pressions maximale et minimale, oscillant autour d’une valeur de référence (dans le milieu aérien, c’est la pression atmosphérique).
La durée
Permet de distinguer :
- les sons impulsionnels (inférieurs à 300 millisecondes)
- les sons impulsifs (inférieurs à 1 seconde)
- les sons continus (supérieurs à 1 seconde). Parmi ces derniers on distingue les sons stables, fluctuants, intermittents.
La revue
N°21 Oreille du musicien
