LE SON


Sommaire

Les ondes
- Qu'est ce qu'une onde?
- Types d'ondes
- Variétés d'ondes
- Milieu de propagation
- Le son, onde acoustique
Le son, onde acoustique
- Sciences, physique et musique
- Qui est Chladni?
- Que sont les figures de Chladni ?
- Comment les produire ?
- Explication du phénomène
- Le diapason
- Le Battement
- Son, classifications
- Son, caractéristiques
La guitare électrique
- Un peu de physique
Traitement du signal sonore

Les ondes

Qu'est ce qu'une onde ?

Définition :
Une onde est la propagation d’une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Une onde transporte de l’énergie sans transporter de matière.

Onde
Propagation d'une onde bidimentionnelle

Lorsque la répétition d’une perturbation à lieu, le phénomène est dit périodique (toutes les x secondes, le même geste avec la main est fait), on caractérise alors l’onde par
- La longueur d’onde (m), distance en 2 crêtes successives
- La fréquence (Hz), nombre de perturbations (crêtes) par seconde
- La vitesse (m/s) de propagation (ou célérité, dépend du milieu)

Périodicité

Types d'ondes :

Longitudinales :
Les points du milieu se déplacent localement dans la direction de la propagation (compression et décompression d’un ressort, le son, les ondes sismiques P…).
Exemple : un ressort :
- Un ressort est tendu horizontalement,
- On comprime quelques spires à une extrémité, puis on lâche brusquement,
- On observe le déplacement de la compression le long du ressort,
- Le milieu de propagation est unidimensionnel, la direction de propagation est l’axe du ressort.
- Une spire du ressort se déplace parallèlement à l’axe du ressort et reprend sa position d’équilibre après le passage de la perturbation,
- On est en présence d’une onde longitudinale.


Onde longitudinale
Onde longitudinale


Transversales :
Les points du milieu se déplacent localement perpendiculairement à la direction de la propagation (les ondes sismiques S, les ondes électromagnétiques…).

Exemple : une corde vibrante :
- On soumet une corde horizontale à une brusque secousse verticale,
- On observe le déplacement de la perturbation le long de la corde.
- Le milieu de propagation est unidimensionnel, la direction de propagation est la corde,
- La perturbation se déplace le long de la corde sans transport de matière,
- La déformation a lieu perpendiculairement à la direction de propagation,
- On est en présence d’une onde transversale.

Onde transversale
Onde transversale

Variétés d'ondes :

Ondes mécaniques :
Oscillantes (périodique) comme les vagues provoquées par le caillou qui tombe dans l’eau, acoustiques (de choc lors du passage du mur du son par un avion)…

Ondes électromagnétiques :
UV, RX, lumière, ondes hertziennes…

Milieu de propagation :

Le milieu de propagation d’une onde peut être : unidimensionnel (onde sur une corde vibrante), bidimensionnel (onde à la surface de l’eau) ou tridimensionnel (onde sonore, lumineuse, …).
En fait, une onde se propage à partir d’une source S dans toutes les directions qui lui sont offertes par le milieu matériel :

- Dans le cas de la corde, l’onde ne peut se propager que dans une direction, celle de la corde.
- Dans le cas d’un milieu à deux dimensions comme une étendue d’eau, l’onde se propage dans toutes les directions possibles du plan d’eau.
- Un son se propage dans l’air dans toutes les directions qui lui sont offertes. Il se déplace dans un milieu à 3 dimensions, dans l’espace.
Les ondes électromagnétiques ne nécessitent aucun milieu de propagation particulier. Quel que soit le type d’onde, les mêmes phénomènes peuvent entraver leur propagation :
Réflexion, réfraction, diffusion, interférences, diffraction…

Le son, onde acoustique

Son, caractéristiques :

Le son est une onde (acoustique ou sonore) qui se déplace dans un milieu matériel. L’absence de ce milieu (vide) empêche toute propagation. Ce type d’onde est appelée longitudinale.

Onde acoustique
(Fréquence en Hz) = 1 / (période en s)


Joseph FOURIER (18ème siècle) démontre que tout son musical (donc pas les bruits), complexe de fréquence V peut être décomposé en une addition de sons simples (sinusoïdes) et de ses harmoniques de fréquences 2*V puis 3*V, 4*V etc.…

Joseph Fourier
Joseph Fourier

La fréquence du son généralement perçue est celle du fondamental V(0) et le timbre est donnée par les harmoniques qui sont les fréquences multiples de la fondamentale. Cette fréquence fondamentale dépend de la corde, de sa section, de la tension et bien sûr de sa longueur. Si on excite une même corde mais à des endroits différents, on aura la même note, mais avec un timbre différent car la série d’harmonique varie. C’est le timbre qui permet de distinguer les différents instruments jouant la même note.

2 sons sont dits harmoniques (… et notre oreille les reconnaît en harmonie) lorsqu’ils vibrent avec des fréquences multiples l’une de l’autre. S’ils vibrent à la même fréquence on les dits à l’unisson. Lorsqu’un son B a une fréquence double d’un son A, on dit que B est à l’octave de A.

Sciences, physique et musique :

La musique est un art conçu à priori subjectivement. Il s’agit de combiner les sons de manière à produire une impression esthétique. La physique est une science exacte qui a pour objet l’étude des propriétés générales des corps et les lois qui tendent à modifier leur état ou leur mouvement sans modifier leur nature.
Le son, élément essentiel de la musique, peut-être quantifié scientifiquement :
- d’abords par une approche strictement mathématique (depuis l’antiquité),
- puis par la physique avec la découverte de l’étude des phénomènes ondulatoires (ondes, vibrations, depuis plus de 3 siècles),
- plus récemment, l’informatique permet des développements musicaux de plus en plus sophistiqués.

Qui est Chladni ?

Ernst Florens Friedrich Chladni, (1756 Wittenberg, 1827 Breslau) est un physicien allemand. Il est considéré comme le fondateur de l’acoustique moderne. Il rédigea un traité d’acoustique en allemand (1802) et traduit en Français (1809). Il a mené l’étude expérimentale des vibrations des plaques, en les saupoudrant de sable fin, obtenant ainsi les figures qui portent son nom. Il fit plusieurs découvertes intéressantes, et inventa un nouvel instrument de musique : l’euphone ou clavicylindre, composé de cylindres en verre.

Ernst Florens Friedrich Chladni
Ernst Florens Friedrich Chladni

Que sont les figures de Chladni ?

Ce sont des figures obtenues sur plaque en vibration et en résonance.

Figure de Chladni.jpg
Exemple de figure de Chladni.jpg

Comment les produire ?

Une plaque métallique carré (ou circulaire) est fixée horizontalement en son centre et reliée à un générateur « basses fréquences ». Des vibrations verticales se propagent alors sur la plaque horizontale.
On fait varier la fréquence jusqu’à obtenir une résonance. La vibration verticale de la plaque met l’air en vibration ce qui produit une onde sonore.

Voici en vidéo, la production des figures de Chladni : figures de Chladni

Explication du phénomène :

Les ondes incidentes émises par le vibreur rencontrent les ondes réfléchies par les bords de la plaque. Lorsque ces 2 types d’ondes se rencontrent en un même point :

- L’interférence est dite constructive lorsque ces ondes sont en phase (les amplitudes s’additionnent) ; des lignes ventrales se forment (au point A, il y a une grande agitation et le sable ne s’accumule pas).

- L’interférence est destructive lorsqu’elles sont en opposition de phase (les amplitudes s’annulent) ; des lignes nodales se forment (en B, l’agitation est nulle et on observe une accumulation de sable).

Phénomène de Chladni
Phénomène de Chladni

Le diapason :

Le diapason est un outil de musicien qui produit un son pur, il donne la hauteur (fréquence) d’une note-repère conventionnelle, en général le « la » afin d’accorder (étalonner) son instrument.

Diapason
Diapason

Petit et pratique d’emploi, il est constitué de deux lames épaisses parallèles, vibrant en émettant un son à la fréquence étalonnée :
Ce son est amplifié si l’on pose la base sur une cavité résonante, comme la caisse d’une guitare, ou sur une table. La conférence Internationale de Londres en 1953 a fixé la hauteur de référence du la(3) à 440 Hz.

Diapason sur cavité résonante
Diapason sur cavité résonante

Le diapason n’a pas cessé d’évoluer afin de rendre la sonorité plus brillante. Cette dérive vers l’aigu se remarque particulièrement pour les pianos solistes – désormais généralement accordés en la (442 Hz) – et les groupes de musique moderne (les caractéristiques des métaux évoluent au fil du temps aussi).

Dans le cas de la Grande-Bretagne, on distinguait le « diapason grave » (435 Hz) du « diapason aigu » (452 Hz). Cette pratique cessa après 1930.

A défaut de diapason : la tonalité du téléphone fixe dans les pays de l’Amérique du Nord suit la norme de 440 Hz, soit le la3 moderne comme en France. En Belgique, la tonalité est de 450 Hz.

Le battement :

Pour jouer un "la" pur au diapason, il faut produire une fréquence de 440 Hz. Pour jouer un "la" une octave au dessus, il faut produire une fréquence de 880 Hz, c'est-à-dire exactement le double. Dans ce cas, les deux diapasons joueraient à l’unisson.

Attention : Pour deux "la" proches, il peut se produire un phénomène de battement. Avec deux notes proches en fréquence mais différentes, on observe une modulation d’amplitude, c'est-à-dire une interférence dans le temps.

LA proches
1) En haut (sinusoïde du haut) un "la" 440 et en bas (sinusoïde du bas) un "la" 435. Ces sinusoïdes correspondent à deux "la" proches. On a l'impression sur la photo que les 2 sinusoïdes sont identiques.

Opposition de phases.jpg
2) Pourtant, lorsque l'on regarde vers la 25,502 secondes, on remarque que les courbes sont opposées. A ce moment, on entre en opposition de phases. Ce phénomène est périodique et à chaque fois que les sinusoïdes entrent en opposition de phases, il n'y a plus de son, d'où un phénomène de battement

Courbe résultante
3) Ci dessus, la courbe résultante de la somme des 2 sinusoïdes. On voit bien qu'à un moment donné la somme est nulle et aussi que l'amplitude varie.
Vous pouvez télécharger le fichier son correspondant à la courbe résultante ici :
Battements

Son, classifications :

Le son sensation auditive (impliquant des phénomènes physiologiques et psychologique) engendrée par une onde acoustique (phénomène physique) qui se déplace obligatoirement dans un milieu matériel. Lorsque nous écoutons de la musique, des vibrations peuvent être observées au niveau de la membrane des hauts parleurs. Ces vibrations créent une onde (acoustique ou sonore) : une suite de surpressions et de dépressions par rapport à la pression atmosphérique, qui se propage dans toutes les directions. Cette succession de pressions constitue le son. Le son est donc défini comme toute variation de pression (à la pression atmosphérique, P(atm)) détectable par l’oreille humaine.

Ces variations de pression se propagent de proche en proche dans le milieu (air, eau, etc.). Comme toute pression, l’unité de mesure est le pascal (1Pa = 1N/m², où N = newton, unité de force). L’oreille humaine , récepteur ultrasensible, détecte les sons dont l’amplitude varie de 20u Pa à 20 Pa. Le seuil de la douleur se situe à 20 Pa, soit une pression acoustique un million de fois plus élevée que le seuil de perception.

La guitare électrique

Créée dans les années 20-30 aux Etats-Unis pour rendre audible les solos dans les formations Jazz, la guitare électrique devient populaire à partir de 1950 avec Les Paul (Gibson) et Stratocaster (Fender) qui demeurent encore aujourd’hui les modèles de guitares, aux formes maintes fois copiées.
Toute la spécificité de cet instrument réside dans son micro, mariage d’un simple fil de cuivre et d’un aimant, qui transforme la vibration des cordes en courant électrique : la physique est en effet l’instigatrice de toute la musique Rock.

A l’origine, le micro était à simple bobinage, se composant d’un aimant entouré d’une bobine. Le champ magnétique de l’aimant traverse notamment la bobine, laquelle est soumise aux variations de ce champ induites par les cordes en mouvement. A la bobine sont en général raccordés 2 fils électriques : celui qui va véhiculer le sons sous forme de signaux électrique appelé le « point chaud », l’autre est tout simplement relié à la masse.

Un micro de guitare est en fait constitué de six aimants, un pour chacune des six cordes. Les guitares ont souvent plusieurs micros dont les emplacements définissent différentes tonalités. Ainsi un micro proche du manche accentuera les basses fréquences alors que celui placé près du chevalet accentuera les hautes fréquences. Un guitariste électrique pourra en mélangeant le son des 2 micros modifier la tonalité du son généré.

La guitare électrique permet des effets impossibles avec un instrument acoustique. Si les techniques de jeu pour guitare permettent de créer quelques effets sonores intéressants, on entend par « effets » la très large palette d’altération du son en continu basé sur le traitement du signal électrique fourni par les micros. Des effets extérieurs peuvent donc être greffés à loisir, par l’intermédiaire de pédales d’effets.

Micro de guitare électrique
Composition d'un micro de guitare électrique

Un peu de physique :

La corde de guitare électrique en matière ferromagnétique (alliage nickel fer) baigne dans le champ magnétique crée par l’aimant. Elle s’en elle-même trouve aimantée.

2 lois permettent de comprendre les conséquences de ce champ perturbateur :

La loi de Faraday :
lorsqu’on fait varier, par un procédé quelconque, le flux d’induction magnétique qui traverse un circuit fermé conducteur, ce circuit est le siège d’un courant dit courant induit.

La loi de Lenz :
le sens du courant induit est tel que le flux (qu’il produit à travers les circuits qu’il parcourt) tend à s’opposer à la variation de flux qui lui donne naissance.

Ainsi, les mouvements (périodiques) de la corde déforment les lignes du champ d’induction créé par les aimants et, ponctuellement, font légèrement varier son intensité.
Le flux d’induction traversant la bobine varie alors périodiquement et une force contre-électromotrice est engendrée dans la dite bobine, se traduisant à ses bornes par une différence de potentiel périodique.
Cette différence de potentiel est alors amplifiée par ce qui est appelé vulgairement un ampli pour être convertie.
En puissance électrique transmise à haut-parleur et, finalement en puissance acoustique sonore.

Traitement du signal sonore

Cours de guitare et de MAO dans le Pas-de-Calais (Noeux-les-Mines, Béthune, Labeuvrière, Bruay et environs)