Pour commencer, il convient de définir ce qu’est la musique. La musique est l’art de combiner les sons de manière harmonieuse et expressive afin de susciter une émotion. Son interprétation est à la fois liée à nos coutumes, nos habitudes, nos connaissances musicales, nos éducations, les circonstances, etc. Ce que nous ressentons à l’écoute d’une musique est donc subjectif pour une grande part. Néanmoins, certains effets sur l’homme dépassent l’individu proprement dit et semblent être valables d’une manière plus générale. Afin de mieux interpréter cette définition, expliquons ce qu’est un son. La plupart des signaux sonores utilisés en musique sont complexes. Pour les décrire, les musiciens leur associent des caractéristiques telles que la hauteur, le timbre, l’enveloppe et l’intensité. Ces caractéristiques sont associées à des grandeurs physiques. Nous proposons d’étudier les liens entre ces termes musicaux et ces grandeurs physiques, et de voir leur influence sur la perception auditive.

 

 

 

     Types de son

 

Un son pur, ou son simple, correspond à une onde sinusoïdale dont la fréquence ne varie pas au cours du temps. Dans la pratique, on pourra considérer des sons purs dont l’amplitude est également constante pendant un certain laps de temps. Le son émis par le diapason est un exemple de son pur.

 

La plupart des sons que nous percevons dans notre environnement ne sont pas purs mais complexes. Ils sont composés de plusieurs sons purs de fréquences et d’amplitudes différentes. Un son musical est un cas particulier de son complexe, produit par un instrument de musique. Parmi les propriétés d’un son musical, nous retiendrons pour l’instant qu’un son musical est périodique (de période constante au cours du temps), mais n’est pas forcément sinusoïdal.

 

Tout signal périodique peut se décomposer en une somme de sinusoïdes, d’après le théorème de Fourier. Ainsi, un son musical est la résultante de la superposition de plusieurs vibrations : la vibration fondamentale de fréquence f1 , sur laquelle s’ajoutent des vibrations harmoniques dont les fréquences sont des multiples de la première.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les graphes ci-dessus décrivent les vibrations pour des harmoniques de fréquence f1, f2 = 2f1 et f4 = 4f1 . Il s'agit d'un son musical complexe. Les analyseurs d'harmoniques permettent de décomposer ce type de sons. Le résultat graphique d'une telle analyse est appelé spectre des fréquences ou spectre de Fourier.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chaque harmonique est représentée par un segment de droite (pic) dont l'abscisse donne la fréquence de la vibration associée.

La longueur de chaque segment est proportionnelle à l'amplitude de la vibration. Le spectre de Fourier d'un son pur n'est constitué que d'un seul pic associé à la fréquence du son.

 

 

     Hauteur d'un son musical

 

La hauteur d’un son correspond à la fréquence de son mode de vibration fondamental, exprimée en hertz (symbole : Hz). La hauteur d’un son est associée au nom de la note jouée (do, ré, mi, ... d’une certaine octave). La hauteur d’un son est la caractéristique qui permet de dire si un son est aigü ou grave.

 

 

     Notion de timbre

 

Le timbre est ce qui permet d'identifier la source du son, quel est l'instrument qui a produit ce son. En effet, deux sons musicaux correspondant à une même note (même fréquence fondamentale), mais émis par deux instruments différents ne sont pas perçus de la même façon par l’oreille. On dit alors que ces deux sons n’ont pas le même timbre.

Autrement dit, le timbre d’un son dépend de l’instrument qui émet ce son. Les oscillogrammes de deux sons musicaux de même hauteur nous permettent de vérifier que ces deux sons ont une même période, donc même fréquence fondamentale. Par contre, les allures de ces deux sons en fonction du temps sont très différentes.

Par exemple, lorsqu'on compare un "La" joué à la Flûte traversière au "La" d'un harmonica, les oscillogrames auront un aspect très différent. 

De plus, le timbre nous permet de différencier si le son perçu est une note de musique ou un simple bruit de tous les jours. Ainsi, le timbre d'un stylo tapé sur la table ne ressemble en rien au timbre d'un instrument de musique, ou encore de sifflements.

 

EXPERIENCE:

Pour identifier les différents timbres des instruments, nous avons choisi deux instruments à vent (pour montrer que malgré le fait qu'ils soient proches, le timbre est totalement différent): la flûte traversière et l'harmonica. Nous avons enregistré, grâce au logiciel Audacity, un La (de fréquence 440 Hz) émis successivement par les deux instruments, et observé le résultat. Aussi, nous avons reproduit, en sifflant, un La.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nous pouvons compléter notre expérience avec ce document, qui apporte plus de diversité à celle-ci:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De plus, nous avons voulu identifier un La instrumental, d'un simple bruit; par exemple, un crayon que l'on tape sur une table, ou encore le cliquetis de stylo 4 couleurs:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour conclure, cette expérience nous confirme que le timbre est ce qui nous permet de différencier un La joué à l'harmonica, d'un La joué à la flûte, en passant par le sifflement. Aussi, c'est le timbre qui nous permet de distinguer un son musical d'un simple bruit (stylo et crayon).

 

 

     Intensité et niveau sonore

 

L’intensité sonore est une grandeur I permettant de mesurer la "force" d’un son: plus l’intensité d’un son est élevée, plus le son perçu est fort. En musique, on distingue ces nuances par les mots italiens "fortissimo", "forte", "mezzo-forte", "piano", "crescendo" etc…

L’intensité I s’exprime en Watt par mètre carré (W.m-²). Cette unité indique qu’il y a un “débit” d'énergie par unité de surface.

En effet, les ondes sonores sont des ondes mécaniques. Elles transportent de l'énergie, dont le transfert à notre système auditif est responsable de l’audition du son.

 

L'intensité est liée à l'énergie et à l’aire du récepteur par la relation:

I=P/S où P est la puissance du transfert de l’énergie en Watt, et S est l’aire du récepteur en m².

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La sensation auditive dépend de l’intensité sonore. Le domaine perceptible de l’oreille humaine s’étend

de 10^-12 W.m-² (seuil d’audibilité) à environ 10 W.m-² (seuil de douleur)

 

Le niveau d’intensité sonore L (pour Level en anglais) exprimé en  Décibels (dB), est lié à l’intensité sonore I par la relation:

L=10*log*I/I° où I est en W.m-² , I° est l‘intensité sonore de référence (10^-12 W.m-²)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On constate que le niveau sonore d’un concert de rock est compris entre 100 et 107 dB, tandis que celui d’un concert classique est compris entre 80 et 100 dB. On pourrait donc présumer que l’intensité serait un des facteurs qui expliquerait la différence des effets entre musique rock et classique sur les êtres vivants. Ainsi, un son plus fort aurait des effets différents qu'un son plus faible.