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Le son mis a nu

LA PHYSIQUE DU SON

 

Le son a besoin d'une source qui le produit, d'un milieu élastique qui le transmet (il ne se propage pas dans le vide) et d'un récepteur (nos oreilles par exemple...). Les molécules d'air ne sont pas entraînées par les ondes sonores. Si le milieu est homogène, les vibrations se propagent uniformément dans toutes les directions.

L'ébranlement de l'air produit par un son pur est un phénomène oscillant périodique entretenu qui peut être représenté par une fonction sinusoïdale:(cliquez pour agrandir)

 

sinusoïde

Variations de la pression de l'air suite à l'émission d'un son pur

 

Le temps est noté t. Lorsque le phénomène a décrit un cycle complet de 0 à 02 et se retrouve à sa position de départ, il a parcouru le temps d'une période T. Le nombre de périodes en une seconde est appelé fréquence.

La longueur d'onde (L, noté lambda, λ) est la distance que l'onde aura parcourue pendant la période T, inverse de la fréquence (T=1/f). Ainsi à une fréquence "f" = 1000Hz correspond une longueur d'onde (distance entre deux "sommets" ) de 34cm environ. (340 mètres par seconde environ divisé par f).

 

 

 

Le musicien définit un son essentiellement par ces trois variables: Intensité, Hauteur et Timbre

 

*-L'amplitude (A ci-dessus) est la valeur maximale de la pression ou de la détente de l'air.

*- L'intensité est l'amplitude de la variation de pression de l'air A, elle correspond à l'amplitude du déplacement moléculaire. L'intensité est évaluée généralement en déciBels, dixième de l'unité Bel (symbole B, unité nommée en l'honneur de son inventeur, Alexander-Graham Bell) qui désigne un rapport de puissances acoustiques en Watts par mètres carrés (W/m2).

 

L'énergie de l'onde sonore est proportionnelle au carré de l'amplitude. Doubler la puissance acoustique revient à ajouter 3dB.

 

*-La hauteur ou fréquence, mesurée en Hertz (nombre de vibrations par seconde) détermine la position du son dans l'étendue du spectre audible, de grave (environ 16 Hz, en-dessous ce sont les infra-sons) à aigu (au-dessus de 20kHz c'est le domaine des ultra-sons).

Le spectre sonore est " redistribué" en bandes de fréquences afin de faciliter notamment l'utilisation des correcteurs de tonalité professionnels plus complets que ceux trouvés d'habitude à la reproduction chez l'utilisateur: la finalité en est clairement différente. Ainsi, est-il imaginable de travailler au minimum sur des bandes ainsi dénommées sur une grande majorité d'équipements:

 

GRAVES, dont la fréquence s'établit jusque 60Hz

BAS-MEDIUM, de 60Hz à 250Hz

MEDIUM, de 250Hz à 2000Hz

HAUT MEDIUM, de 2000Hz à 6000Hz

AIGUS, au-dela de 6000Hz.

 

 

*-Le timbre, la "couleur" permet de reconnaitre le son du violon et de le distinguer de celui du piano. Le timbre est un des paramètres les plus complexes car particulièrement riche en quantité d'informations. Il n'a pas d'unité de mesure caractéristique.

Un son pur, par exemple celui émis par un générateur de signal sinusoïdal pour faire des mesures en laboratoire sur un amplificateur audio, ou donner la note d'accord, le "la", (cas de la BBC pour son orchestre) ne contient que la fondamentale, à opposer à un son complexe.

 

Un son complexe est composé de la fréquence fondamentale suivie d'un cortège plus ou moins riche en harmoniques.

 

Les harmoniques sont des sons musicaux strictement périodiques, multiples entiers de la fondamentale, en proportion variable. Un son peut ne contenir que certains harmoniques, les autres étant manquants; l'intensité de certains harmoniques peut être plus forte que celle de la fondamentale ou des harmoniques de rang faible (les plus proches de la fréquence de base).

On distingue alors, par rang, (nombre de fois par laquelle la fréquence de base f0 est multipliée) les harmoniques pairs (2f, 4f,..agréables à notre oreille), des harmoniques impairs (3f, 5f,..)

On démontre, par le theorème de Fourier, qu'un signal non sinusoïdal de forme quelconque peut être décomposé en un nombre plus ou moins grand de signaux sinusoïdaux d'intensité déterminée et qu'à l'inverse, un mélange de signaux sinusoïdaux émis simultanément produit un signal complexe de forme très irrégulière.

(Joseph Fourier (1768-1830), est un mathématicien et physicien français connu pour ses travaux sur la décomposition de fonctions périodiques en séries trigonométriques convergentes appelées "séries". Il est également l'auteur des "transformées" pour les fonctions non périodiques)

 

Par ailleurs, il est nécessaire de mentionner l'existence des formants, mis en évidence par Helmholtz au XIXéme siècle (1821-1894), physiologiste et physicien allemand). Un résonateur accordé vient renforcer une fréquence particulière (ex: un résonateur accordé à 500Hz renforcera l'harmonique 5 d'un son de 100Hz). Cet harmonique renforcé prend alors le nom de formant. Nous en trouvons une parfaite application avec la cavité bucale de l'homme dont la taille est sans cesse modulable (modifiant ainsi sa fréquence de résonance) et qui produit différents types de formants à partir du son émis par les cordes vocales. Ce sont ces mêmes formants qui produisent, par paire en première approximation, la sonorité des différentes voyelles de la langue française: le "u" par exemple, fait appel à un premier formant d'environ 320Hz relayé par un second à 800Hz.

 

A ces trois grandes caractéristiques s'ajoutent encore:

*- - Les partiels, dont la fréquence n'est pas liée à la fréquence de base (anharmoniques), mais qui viennent compléter le son: ce peut être le bruit du marteau sur la corde d'un piano, celui de l'archet sur les cordes du violon, le souffle du trompettiste, celui des clés de la clarinette...

*- - Les transitoires qui correspondent à la période d'établissement ou l'extinction d'un son, non décomposables en série de Fourier. (Voir :enveloppe). Les consonnes p, d, t, l, un coup de cymbale sont des exemples de transitoires.

 

On peut donc diviser les sons en deux grandes catégories:

* - continus qui donnent une oscilation complexe mais régulière,

* - les transitoires dont l'oscillation complexe est irrégulière: voix humaine parlée, percussions, bruits...

 

Mais cette analyse serait partiellement fausse si la notion d'enveloppe n'était d'ores et déjà évoquée, représentant la répartition de l'intensité sonore et de la composition spectrale dans le temps.

 

 

 

frequency-chart

La plage de fréquences d'instruments et voix courants

(cliquez pour agrandir)

 

 

Sur le croquis ci-dessus, on peut voir la répartition en fréquences de différents instruments et voix par rapport à un clavier de piano, en bas de l'illustration (zone blanche). Seules, les grandes orgues possèdent une étendue qui va au-delà du clavier standard (voir ici(1))

Colorée en bleu, la touche du "La" du diapason fixé, après bien des variations (qui peuvent encore subsister aujourd'hui(2)), par la Conférence internationale de Londres en 1953 à 440 Hz. La convention "française" lui attribue le numéro 3, mais cette numérotation diffère selon les pays et aux États-unis, le la3 est noté A4 (une unité de plus). Noter que ce standard est utilisé dans les logiciels d'édition et composition musicales les plus répandus. L'Allemagne et l'Angleterre possèdent également un système de numérotation qui leur est propre.

 

 

 

partiels

Fondamentales, harmoniques et partiels avec en rapport la hauteur tonale

(cliquez pour agrandir)

 

Pour ce qui est de la sensibilité aux diverses fréquences ci-dessus, l'oreille humaine présente une courbe de sensibilté inégale en fonction de la fréquence (Courbes issues des travaux de Fletcher-Munson, un temps corrigées par ceux de Robinson-Dadson, puis finalement entérinées sous forme de la norme ISO 226-2003 actuelle):

 

courbe Fletcher

Courbes de Fletcher-Munson

(cliquez pour agrandir)

 

Ce réseau de courbes met en évidence la relation existante entre la fréquence d'un son et l'amplitude relative que l'oreille exige. Pour les percevoir correctement, les sons graves (de 20Hz à 400Hz) ont besoin d'être très amplifiés à très faible niveau d'écoute, de même pour les sons aigus (au-delà de 6kHz) mais dans une proportion bien moindre. Ces variations particulières de la sensibilité de la perception auditive sont prises en compte dans le réglage appellé communément "Loudness" ou "Contour" sur les chaînes sonore de qualité (Haute Fidélité) afin de remonter les extrémités du spectre à bas niveau, sans quoi la sonorité paraît criarde.

C'est aussi pourquoi, lors de mesures sonores, d'études sur la réalisation d'appareils destinés à l'audio, sont mises en oeuvre des pondérations (voir également Ici), afin de prendre en compte les critères subjectifs de la perception auditive.

 

 

Dans la chaine de traitement sonore, voici un ordre d'idée de ce qu'il advient:

Niveaux

commentaires niveaux

 
 

Le déciBel et ses suffixes

 

Le décibel est largement utilisé comme mesure de l'intensité du son, mais est en fait seulement un moyen pratique de spécifier le rapport entre deux grandeurs. Le dB est couramment utilisé pour exprimer une grande variété de mesures en acoustique et électronique, où il contribue à donner une vue gérable de choses qui peuvent couvrir de vastes gammes de valeurs, là où seules augmentation ou diminution sont importantes. Cette unité est particulièrement utile dans l'audio parce que nos oreilles suivent une loi approximativement logarithmique, appelée par les psychologues "la loi de Weber". Le plus petit changement dans l'intensité sonore que nous pouvons détecter est d'environ 1 dB, ou un changement de dix pour cent, indépendamment du fait que le son est très faible ou très fort. En d'autres termes, nous entendons le volume "géométriquement" plutôt "qu'arithmétiquement ».

 

Le décibel est une unité sans dimension, comme les pourcentages, et n'a de sens que lorsque les niveaux sont définis par rapport à un niveau de référence, souvent spécifié par un suffixe après la notation dB.

L'énergie de l'onde sonore est égale au carré de l'amplitude. Une augmentation de 3 dB correspond à une multiplication par deux de la pression acoustique, donc de l’énergie sonore, ce qui correspond à doubler le nombre d’amplificateurs.

 

Le dBm spécifie un niveau de puissance sur une ligne, habituellement de 600 ohms, par rapport à 1 mW

Le dBu indique que l'amplitude de tension d'un signal audio correspond à 0,775 volts efficaces. C'est la même tension qui serait nécessaire pour dissiper 1 mW dans une résistance de 600 ohms, Il est conservé pour des raisons historiques, mais est rarement utilisé aujourd'hui. 0dBu est le «niveau d'alignement « universel dans de nombreux organismes de radiodiffusion et les studios d'enregistrement, avec des niveaux de signaux autorisés dans la région de marge ("headroom") qui peut être 24dB, 18dB (recommandation EBU) ou 8 dB (EBU pour les émissions de radio et de télévision...).

Le dBV spécifie que l'amplitude de référence est de 1V. Cela est parfois utilisé pour les consommateurs , mais le dBu reste à privilégier, car la plupart des instruments audio sont calibrés en dBu.

Le dB SPL est une mesure du niveau de pression sonore, par rapport à 2.10-6 Pa , un chiffre arbitraire choisi comme étant ​​le son le plus faible qu'un humain peut entendre (MAF, pointillés rouges sur la courbe de Fletcher). C'est à peu près le niveau sonore produit par un moustique en vol à 3 mètres !

Le dB FS est fréquemment utilisée pour se référer à la pleine échelle (Full Scale), ou au moment où l'écrêtage se produit dans un système et évalue des niveaux de signaux numériques qui ne correspondent pas en eux-mêmes à une tension particulière, jusqu'à ce qu'ils soient convertis à nouveau en analogique.

 

Les dB(A), dB(B) ou dB(C) font référence aux différentes courbes de pondérations fréquentielles appliquées lors des mesures de niveau pour tenir compte du comportement de l’oreille humaine dans des circonstances définies.

 

Quelques exemples de niveaux sonores

Nps : "Niveau de Pression Sonore" = SPL (Sound Pressure Level)

 

 

 

dBnps

 

Source (et distance)

 

250

Intérieur d’une tornade; explosion d’une bombe à 5 mètres

180

Moteur de fusée à 30 mètres/explosion du Krakatoa à 160 kilomètres

150

Moteur d’avion à réaction à 30 mètres

140

Tir de carabine à 1 mètre

130

SEUIL DE DOULEUR; avertisseur sonore d’un train à 10 mètres

120

Concert rock; décollage d’un avion à réaction à 100 mètres

110

Motocyclette en accélération à 5 mètres; tronçonneuse ou marteau piqueur à 1 mètre

105
Sirène police à 1 m / Seuil Max Autorisé en discothèque

100

Marteau piqueur à 2 mètres

90

Usine bruyante; poids lourd à 1 mètre

85
SEUIL DE DANGER **

80

Aspirateur à 1 mètre; bord de rue à forte circulation, aboiements

70

Circulation dense à 5 mètres

60

Bureau ou restaurant, conversation normale

50

Restaurant calme, favorable à un travail intellectuel

45
Appartement normal, bureau

40

Zone résidentielle la nuit

30

Théâtre, si personne ne parle

20
Sensation de silence; cabine insonorisée

10

Respiration humaine à 3 mètres

0

Seuil de l’audition humaine (avec oreilles saines)

 

 

 

 

** C'est malheureusement le niveau atteint et souvent dépassé d'une écoute au baladeur !

 

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-1-Les grandes orgues couvrent l'ensemble des sons de l'échelle musicale (tessiture) le plus large de tous les instruments et englobe tous les autres. Un orgue de dimensions moyennes comporte généralement des jeux allant de 33 Hz à 16 000 Hz. Trois orgues au monde comportent un jeu de 64 pieds (hauteur du tuyau: environ 21 mètres!!!). Si la note la plus grave du 'do' d’un jeu de 32 pieds fait entendre 16.5 Hz, le premier 'do' (ut) du jeu de 64 pieds produit lui une onde sonore quasiment inaudible de 8,25 Hz. retour

 

-2-Certains orchestres ou ensembles baroques ou de musique "ancienne", s'accordent volontiers un peu plus bas pour respecter la sonorité (le timbre) voulue lors de la création de leurs instruments retour

 

 

 

 

 

 

 

 

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Courbe de Fletcher-Munson sinusoïde