Le son et la musique

Comprendre ce qu’est un son

Un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel. Ce milieu peut être l’air, l’eau, un métal, le bois ou tout autre matériau capable de transmettre une vibration. Dans l’espace vide, le son ne se propage pas, car il n’y a pas de matière pour transmettre la perturbation.

Quand une source sonore vibre, elle met en mouvement les particules du milieu autour d’elle. Ces particules se compriment puis se détendent. La vibration se transmet de proche en proche. Le son est donc une onde mécanique, car il a besoin d’un milieu matériel, et une onde longitudinale dans l’air, car la vibration des particules se fait dans la même direction que la propagation.

La source peut être une corde de guitare, une membrane de haut-parleur, les cordes vocales ou une colonne d’air dans un instrument à vent. Dans tous les cas, un objet vibre et communique cette vibration à l’air.

On distingue souvent trois notions :

• La source : l’objet qui produit la vibration.
• Le milieu de propagation : la matière qui transmet le son.
• Le récepteur : l’oreille, un microphone ou un capteur.

La propagation du son n’est pas instantanée. Elle se fait à une vitesse finie, appelée célérité. Dans l’air, cette célérité dépend notamment de la température. Elle est beaucoup plus élevée dans certains solides que dans l’air, car les particules y transmettent plus efficacement les vibrations.

Décrire un son avec des grandeurs physiques

Un son peut être étudié avec un signal. Ce signal représente l’évolution d’une grandeur liée à la vibration, par exemple la pression de l’air au cours du temps. Pour lire ce signal, il faut repérer quelques grandeurs essentielles.

La période et la fréquence

Un son périodique se répète régulièrement. La période, notée T, est la durée d’un motif élémentaire du signal. Elle s’exprime en seconde. La fréquence, notée f, indique le nombre de motifs répétés par seconde. Elle s’exprime en hertz.

• f = 1 / T
• T = 1 / f
• f en hertz si T est en seconde.

Plus la fréquence est élevée, plus le son est perçu comme aigu. Plus la fréquence est faible, plus le son est perçu comme grave. La fréquence correspond donc à la hauteur du son.

L’amplitude et le niveau sonore

L’amplitude du signal renseigne sur l’importance de la vibration. Plus l’amplitude est grande, plus le son paraît fort. L’oreille humaine ne perçoit pas l’intensité sonore de façon linéaire. On utilise donc une grandeur adaptée : le niveau sonore, exprimé en décibel.

Il ne faut pas confondre la hauteur et le volume sonore. Un son peut être aigu et faible, ou grave et fort. La hauteur dépend surtout de la fréquence. Le volume perçu dépend surtout de l’amplitude et du niveau sonore.

Exemple traité pas à pas

On observe le signal d’un son périodique. Un motif complet dure 0,005 s. On cherche sa fréquence.

1. Identifier la période : T = 0,005 s.
2. Utiliser la relation : f = 1 / T.
3. Remplacer : f = 1 / 0,005.
4. Calculer : f = 200 Hz.

Ce son a donc une fréquence de 200 Hz. Il appartient au domaine des sons audibles pour un être humain en bonne santé auditive. Il sera perçu comme plutôt grave par rapport à un son de fréquence plus élevée, par exemple 1000 Hz.

Relier son musical, fréquence et timbre

Un son musical n’est pas seulement un son agréable. En physique, on l’étudie comme un signal souvent périodique, produit par un instrument ou par la voix. Deux instruments peuvent jouer la même note, donc la même fréquence fondamentale, sans produire exactement le même son. C’est le rôle du timbre.

Un son musical peut contenir plusieurs fréquences. La plus basse, qui donne la hauteur perçue, s’appelle la fréquence fondamentale. Les autres fréquences présentes dans le son s’appellent des harmoniques lorsqu’elles sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.

Grandeur ou notion	Ce qu’elle décrit	Effet perçu
Fréquence fondamentale	Fréquence principale d’un son musical	Hauteur de la note
Harmoniques	Fréquences associées à la fondamentale	Richesse du son
Amplitude	Importance de la vibration	Son plus ou moins fort
Timbre	Composition du son en fréquences	Différence entre deux instruments

Si une corde vibre avec une fréquence fondamentale de 110 Hz, ses harmoniques peuvent avoir pour fréquences 220 Hz, 330 Hz, 440 Hz, et ainsi de suite, si le modèle d’harmoniques entiers s’applique. Le son entendu dépend de l’importance relative de ces différentes composantes.

Le timbre explique pourquoi on reconnaît une flûte, un violon ou une voix, même si la note jouée est la même. Le signal produit n’a pas exactement la même forme. Le spectre du son, c’est-à-dire la représentation des fréquences présentes, n’est pas le même.

Écouter, mesurer et protéger l’audition

L’oreille transforme une vibration de l’air en message nerveux. Le pavillon capte le son. Le tympan vibre. Des structures internes transmettent ensuite cette vibration. L’information est finalement envoyée au cerveau, qui interprète la hauteur, l’intensité, la durée et parfois la direction du son.

L’audition a des limites. Certains sons sont trop graves ou trop aigus pour être perçus. Certains sons sont trop faibles pour être entendus. D’autres sont tellement forts qu’ils deviennent gênants ou dangereux. Une exposition à des niveaux sonores élevés peut abîmer l’oreille. Les cellules impliquées dans l’audition sont fragiles. Lorsqu’elles sont endommagées, la récupération peut être impossible.

Pour protéger l’audition, applique des réflexes simples :

• Éloigner la source sonore quand c’est possible.
• Réduire la durée d’exposition à un son fort.
• Baisser le volume d’un casque ou d’écouteurs.
• Faire des pauses dans un environnement calme.
• Utiliser une protection auditive dans un lieu très sonore.

En évaluation, une question peut demander d’expliquer pourquoi deux sons de même fréquence ne sont pas perçus de la même manière. La réponse attendue doit faire intervenir le timbre et la composition en fréquences. Une autre question peut demander de distinguer fréquence et niveau sonore. Il faut alors séparer clairement hauteur et intensité perçue.

Analyse d’un signal sonore : les réflexes à avoir

Un exercice sur le son présente souvent un graphique. L’axe horizontal représente le temps. L’axe vertical représente une grandeur liée au signal sonore. Pour éviter les erreurs, commence par lire les unités. Une durée en milliseconde doit être convertie en seconde avant d’utiliser la relation f = 1 / T.

Voici une méthode fiable pour analyser un signal périodique :

1. Repérer un motif qui se répète.
2. Mesurer la durée d’un motif complet pour obtenir la période T.
3. Convertir la période en seconde si nécessaire.
4. Calculer la fréquence avec f = 1 / T.
5. Interpréter : fréquence élevée, son aigu ; fréquence faible, son grave.
6. Observer l’amplitude pour discuter du caractère plus ou moins fort du son.

Exemple avec conversion

Un signal sonore présente un motif qui se répète toutes les 2 ms. On cherche la fréquence.

1. Écrire la période : T = 2 ms.
2. Convertir en seconde : 2 ms = 0,002 s.
3. Appliquer la formule : f = 1 / T.
4. Calculer : f = 1 / 0,002 = 500 Hz.

La fréquence du son est donc 500 Hz. Si un autre son a une fréquence de 250 Hz, il est plus grave. Si les deux sons ont des amplitudes différentes, celui qui a l’amplitude la plus grande sera généralement perçu comme plus fort, à fréquence comparable.

Quand un exercice présente un spectre, il faut lire les fréquences présentes et repérer la fréquence fondamentale. Les pics suivants peuvent correspondre à des harmoniques. La présence et l’importance de ces pics renseignent sur le timbre. Un spectre riche contient plusieurs composantes marquées. Un son plus pur présente une composante dominante.

Méthode le jour de l’évaluation

Commence par identifier le type de question. S’agit-il de calculer une fréquence, de comparer deux sons, d’expliquer un timbre, ou de raisonner sur l’audition ? Ne mélange pas les notions.

• Pour un calcul, écris d’abord la formule : f = 1 / T. Vérifie l’unité de T. Calcule ensuite.
• Pour comparer la hauteur de deux sons, compare leurs fréquences. La plus grande fréquence correspond au son le plus aigu.
• Pour comparer le volume perçu, regarde l’amplitude ou le niveau sonore si l’énoncé le donne.
• Pour expliquer le timbre, parle de la composition en fréquences et des harmoniques.
• Pour une question sur la propagation, rappelle qu’un son est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel.
• Pour une question sur la santé auditive, relie le danger au niveau sonore, à la durée d’exposition et à la fragilité de l’oreille.

Rédige avec des mots précis. Évite de dire seulement « le son est plus grand ». Dis plutôt « la fréquence est plus élevée », « l’amplitude est plus grande » ou « le niveau sonore est plus important », selon le cas. Une bonne copie distingue les grandeurs physiques et les sensations perçues.

Pour finir, relis les unités. Une erreur de conversion transforme vite un résultat juste en résultat faux. Si une période est donnée en milliseconde, convertis-la en seconde. Si une fréquence est demandée, donne une valeur en hertz. Hugo Arbonnier