DEFINITION ET CARACTERISTIQUES DU SON

Merci à C.Bourdoncle et L.Favre pour leur participation à la rédaction de cet article

1.1 Définition

Le mot "son" désigne à la fois une sensation auditive et le phénomène physique susceptible de lui donner naissance. D'un point de vue physique le son est une perturbation d'un milieu élastique, d'un point de vue auditif il s'agit du signal perçu par le sens de l'ouïe. On parle ainsi d'infrasons ou d'ultrasons (cf. Tableau 1) pour désigner des vibrations de fréquences respectivement trop basses ou trop élevées pour être audibles.

Les Fréquences audibles

Tableau 1 : Gamme et domaine de fréquence

16 à 60 Hz : Domaine de l'extrême grave (‘infra basses').
Ces fréquences apparaissent dans la grosse caisse ou la basse. Elles sont puissantes et profondes mais nécessitent que les hauts parleurs puissent les reproduire (sub-woofer). Cette gamme de fréquence est notamment présente dans le « son  cinéma », en particulier pour la reproduction des explosions ou des bruits. Dans le domaine musical, une exagération de ces fréquences entraînera un manque de clarté (son ‘étouffé').

60 à 200 Hz : Domaine du grave.
C'est le domaine de la grosse caisse, de la basse ou de la timbale.

200 à 500 Hz : Début du bas médium.
Les voix et les guitares apparaissent. Fin du registre des sons graves. Dans cette zone, des phénomènes de ‘brouillage' entre les instruments peuvent se manifester.

500 à 1500 Hz : Registre du bas médium
Domaine des voix mais aussi des guitares et de la caisse claire avec les premières harmoniques des instruments.

1500 à 4000 Hz : Registre du haut médium
On y trouve les harmoniques de rang élevé (particulièrement ceux de la voix).

4000 à 10000 Hz : Domaine de l'aigu
Lieu privilégié des cymbales ou du triangle. Une amplification autour de 5000 Hz augmente la clarté et la présence d'une voix ou d'un instrument.

10000 à 20000 Hz : Dernière plage audible de l'aigu.
Ces fréquences donnent au son de la brillance. C'est dans ce domaine que le ‘souffle' d'un enregistrement peut parfois se situer.

1.2 Aspect physique

   Figure 1 : Propagation de l'onde dans un milieu

1.2.1 Emission

    Un son prend naissance dans l'air quand les molécules qui le composent sont mises en mouvement d'une quelconque façon.

Ainsi, le va-et-vient périodique d'une membrane de haut-parleur provoque la transmission dans l'air d'ébranlements successifs de compression et de dépression. Les instruments de musique donnent de bons exemples de différents types d'émission sonore. Les cordes d'un violon reçoivent de l'énergie de l'archet qui y entretient des oscillations de relaxation : ces oscillations mettent en vibration la caisse, et les vibrations de la caisse sont rayonnées dans l'atmosphère; le piano, la harpe, les tambours, les cymbales et les haut-parleurs rayonnent également le son par vibration d'une surface solide. Dans le cas de la trompette, le jet d'air émis par les poumons de l'instrumentiste est périodiquement haché par les vibrations de ses lèvres il s'agit là encore d'oscillations de relaxation, dont la fréquence dépend à la fois de la tension des lèvres de l'instrumentiste et des caractéristiques du tube de la trompette; les instruments à anche (hautbois, clarinette) et la voix humaine émettant des sons "sonores" ou "voisés" (comme les voyelles usuelles) fonctionnent aussi par interruption quasi périodique d'un jet d'air. 

1.2.2 Propagation et effet des obstacles

1.2.2.1 Propagation 

D'une manière générale, une onde peut se propager transversalement ou longitudinalement dans un milieu de densité uniforme. Dans les deux cas, seule la quantité d'énergie véhiculée par l'onde se déplace, tandis que le milieu demeure pratiquement inchangé. Un exemple simple d'onde transversale se présente lorsqu'on secoue l'extrémité libre d'une corde attachée à un poteau.

Une onde "plane" se propage dans une direction, sans affaiblissement tandis qu'une onde "sphérique" se propage dans toutes les directions.

La vitesse de propagation, ou célérité, d'un son dans un milieu élastique possède une propriété remarquable: elle ne dépend que du milieu considéré et de son état de température et de pression; elle ne dépend pas du son qui se propage, de sa nature, de sa fréquence ou de son intensité. Ainsi, à 20°C, la vitesse du son dans l'air sec est de 344 m/s. Lorsque la température s'élève, la vitesse du son augmente également. En revanche, une modification de la pression dans un milieu de densité constante n'a pratiquement pas d'influence sur la vitesse du son. En général, le son se propage plus rapidement dans les liquides et dans les solides que dans les gaz. On montre que la vitesse du son est proportionnelle à la racine carrée de l'élasticité du milieu :

1.2.2.2 Réfraction, réflexion et interférence

Tout objet perturbant la propagation du son provoque des phénomènes de réflexion, de réfraction ou de diffraction : 

- En acoustique, le phénomène  de réfraction ne joue pas un grand rôle. La réfraction se traduit par un changement de la direction initiale des ondes. Lorsque le son passe d'un milieu dans un autre, il a tendance à revenir vers celui dans lequel il se propage plus lentement. La réfraction des ondes acoustiques explique également la bonne ou mauvaise réception d'un son se propageant dans le vent.

- À l'instar de la lumière, l'onde acoustique peut également subir une réflexion ou une diffraction. Le son se réfléchit sur un obstacle rigide et massif dont la dimension est très supérieure à sa longueur d'onde. La réflexion d'un son correspond au phénomène de l'écho. Ainsi si un auditeur reçoit l'onde directe et l'onde réfléchie, il entend un écho quand le retard de l'onde réfléchie est suffisant (supérieur à 50 millisecondes). Si la surface de l'obstacle n'est pas dure et rigide, une partie du son peut être absorbée. En acoustique, on utilise beaucoup la réflexion pour amplifier ou pour capter des sons. Par exemple, le mode de fonctionnement du sonar se base sur la réflexion des sons se propageant dans l'eau. Une autre application de la réflexion sonore est le mégaphone, sorte de tube en forme d'entonnoir, qui réfléchit les ondes acoustiques vers l'intérieur, provoquant ainsi l'amplification du son émis. Le conduit auditif de l'oreille fonctionne exactement suivant le dispositif inverse, en focalisant les ondes acoustiques grâce à la partie évasée de l'oreille qui est pointée vers la source sonore.

- Le son est également soumis aux interférences. Si un son émis par une source emprunte deux chemins différents (un chemin direct et un chemin réfléchi) pour parvenir à une source réceptrice, les deux sons créés vont alors se superposer. S'ils sont en phase, leur combinaison aboutira à un son plus fort. En revanche, s'ils sont en déphasage, le son perçu sera moins puissant que celui obtenu sans interférence. Des sons de fréquences différentes peuvent également interférer : on obtient alors des distorsions complexes. 

1.2.3 Caractéristiques d'un son simple

Tous les sons simples (ou purs), tels qu'une note de musique, peuvent être décrits de manière exhaustive par trois paramètres : la hauteur, l'intensité (appelée aussi volume) et le timbre. Ces trois critères correspondent respectivement à trois caractéristiques de l'onde qui sont sa fréquence, son amplitude et sa constitution harmonique. En revanche, le bruit, qui se compose d'ondes acoustiques de fréquences différentes, ne peut pas être décrit par ces trois critères. Le bruit est un son complexe.

1.2.3.1 Fréquence

La fréquence d'une onde acoustique correspond à une mesure du nombre d'ondes qui passent par seconde en un point donné. La distance entre deux sommets successifs de cette onde s'appelle la longueur d'onde. Le produit de cette longueur d'onde par la fréquence est égal à la vitesse de propagation de l'onde, qui est la même pour tous les sons se propageant dans le même milieu à température constante.

Figure 2 : Echelles Musicales, Fréquences des sons fondamentaux 

Il est facile de repérer sur un piano (cf. figure 2) à quelle fréquence correspond une note donnée. Par définition, une octave représente l'intervalle séparant deux notes quelconques, dont la fréquence de l'une est le double de la fréquence de l'autre. Ainsi, si on prend comme repère le diapason du piano (440 Hz environ), le la situé une octave plus haut correspond donc à une fréquence de 880 Hz. De la même manière, les la situés un et deux octaves plus bas ont des fréquences respectives de 220 et de 110 Hz (cf. figure 3). Pour chaque intervalle de notes, il existe un rapport de fréquences correspondant. Ainsi, une quinte représente l'intervalle de deux notes dont le rapport de fréquences est de trois demi. De même, dans le cas d'une tierce majeure, le rapport de fréquences est de cinq quarts.

Figure 3 : Représentation d'un la2 et d'un la1

Il est important de souligner que deux notes ayant une octave d'écart et émises simultanément produiront une combinaison euphonique, c'est-à-dire harmonieuse à l'oreille. Par extension, un accord de plusieurs notes sera euphonique si les rapports de leurs fréquences sont de petits nombres entiers. Dans le cas contraire, une dissonance se produira. Sur un instrument qui émet des sons de hauteur fixe, tel un piano, il n'est évidemment pas possible de jouer en respectant scrupuleusement ces rapports. C'est pourquoi on adopte des compromis, tout en restant conforme à la gamme tempérée. 

1.2.3.2 Intensité

    L'intensité d'un son est liée à l'amplitude de l'onde acoustique correspondante. Cette dernière représente en fait une mesure du déplacement des molécules d'air. Plus les molécules d'air frapperont avec force la membrane de l'oreille, plus l'amplitude de l'onde sera grande et donc plus le son paraîtra fort.

     L'amplitude d'une onde acoustique peut se calculer de différentes manières. Par exemple, on peut mesurer la distance du déplacement relatif des molécules d'air, ou bien encore la différence de pression qui s'opère au cours des dilatations et compressions successives de l'air. On peut également la calculer en mesurant l'énergie mise en jeu par les vibrations sonores. Il est cependant difficile d'effectuer tous ces calculs, c'est pourquoi on préfère mesurer l'intensité d'un son en le comparant avec un son standard, exprimé en décibels. On démontre que l'intensité d'un son est égale au flux moyen d'énergie par unité de surface perpendiculairement à la direction de la propagation. Donc pour une onde sphérique l'énergie qu'elle transmet à un récepteur décroît comme l'inverse du carré de la distance si l'on néglige les variations des propriétés physiques de l'air, telles que la température, la pression et l'humidité. 

    Si on joue la même note sur un diapason, un piano ou un violon, à volume identique, ces trois sons ont la même fréquence et la même amplitude crête à crête, mais possèdent un timbre nettement différent (dû à la variation de l'amplitude instantanée - cf. figure 4). De ces trois sources sonores, le son le plus pur est celui émis par le diapason, car il est constitué presque uniquement de vibrations ayant une fréquence de 440 Hz. En revanche, le diapason produit par un piano ou un violon se compose d'une vibration principale de 440 Hz, appelée la fondamentale, à laquelle se superposent d'autres vibrations dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Ces vibrations annexes sont appelées harmoniques, et leurs intensités déterminent le timbre de la note.

Figure 4 : Représentation des sons émis pas un diapason, une flûte, un violon et un gong

1.2.2 Aspect auditif 

Un ébranlement sonore est en général produit par une vibration mécanique ou par un mouvement matériel. Celui-ci pourra être perçu si les ondes sonores se propagent jusqu'à l'oreille de l'auditeur et si le son se trouve dans la plage de fréquence des sons audibles qui se situe entre 20 à 20 000Hz pour une personne d'âge moyen.

Lorsqu'un son est perçu les ondes sonores sont transmises par le conduit auditif externe jusqu'au tympan qu'elles font vibrer (cf. figure 5). Les cellules qui tapissent la caisse du tympan tendent à résorber l'air en permanence, et à faire ainsi chuter la pression. Mais, à chaque mouvement de déglutition du pharynx, la trompe d'Eustache s'ouvre et l'air extérieur pénètre dans la caisse du tympan. Celui-ci, soumis à la même pression (égale à la pression atmosphérique) sur ses deux faces, peut alors continuer à vibrer parfaitement. Ces vibrations sont transmises par la chaîne des osselets de l'oreille moyenne jusqu'aux liquides de l'oreille interne via la fenêtre ovale. Les mouvements de l'endolymphe font bouger les cils des cellules sensorielles de la cochlée. Les cellules ciliées transforment ces mouvements en messages nerveux (potentiels d'action), qu'elles transmettent aux neurones du nerf cochléaire qui, à son tour, véhicule ces informations jusqu'au cerveau.

 
Figure 5 : Représentation schématique d'une oreille

L'oreille n'est pas parfaite. Des notes de même fréquence mais d'intensité très différente pourront sembler de hauteur légèrement différente à un individu ayant pourtant une bonne acuité auditive. De même, si l'oreille perçoit à peu près correctement toutes les fréquences lorsque l'intensité du son est élevée, elle devient en revanche moins sensible aux fréquences très basses et très hautes d'un son, si celui-ci est émis avec une faible intensité. C'est pourquoi un appareil de reproduction des sons fonctionnant pourtant parfaitement pourra sembler ne pas reproduire les notes les plus hautes et les plus basses, lorsque le volume du son est faible. Une autre imperfection de l'oreille est son incapacité à distinguer les notes de haute fréquence, si celles-ci s'accompagnent de sons de basse fréquence et d'intensités très élevées. Ce phénomène s'appelle le masquage. L'oreille est remarquablement insensible aux déphasages entre harmoniques d'un son périodique.   

Quand l'oreille perçoit un son musical contenant juste une partie des harmoniques du fondamental, elle forme des combinaisons de ces harmoniques sous forme de sommes ou de différences de fréquences, reproduisant ainsi le fondamental ou les harmoniques manquants dans le son initial. Cette réponse imparfaite de l'oreille peut être précieuse dans certains cas. Considérons, par exemple, un appareil de reproduction des sons doté de petits haut-parleurs. En général, ce genre de dispositif ne peut pas reproduire des sons de basse fréquence. Une oreille humaine écoutant cet appareil sera pourtant capable de restituer certaines de ces basses fréquences, en recombinant certaines harmoniques.  

1.4 Conclusion

La musique, la parole et le bruit sont trois formes de sons que l'on considère rarement comme pures. Une note de musique comprend, outre la fréquence fondamentale, des tons plus élevés qui constituent les harmoniques de cette fréquence fondamentale.

Les harmoniques jouent un rôle crucial dans le domaine de la synthèse sonore car ce sont elles qui apportent de la richesse au son. 

Il existe plusieurs méthodes qui consistent à augmenter le nombre d'harmoniques :

- l'addition de plusieurs sons entre eux ( la synthèse additive).

- la modulation de la fréquence d'un signal sinusoïdal par un autre signal sinusoïdal de fréquence plus basse ( la synthèse FM). 

Il est aussi possible de réduire le nombre d'harmonique à partir d'un son riche en utilisant des filtres de plusieurs types ( la synthèse soustractive).

L'une des applications de ces synthèses est la synthèse vocale. Elle utilise les composantes intrinsèques des différentes synthèses. En effet, la « génération de parole synthétique » a d'abord été un mélange de sons produits de façon analogique ( le « voice-coding » ou le « vocoding ») pour devenir, aujourd'hui, le produit d'algorithmes extrêmement complexes intégrés dans des systèmes numériques (la synthèse numérique).