2 Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores.

Le son est composé d'ondes acoustiques. Ce sont des déformations, des fronts de pression qui se propagent dans un milieu élastique (généralement l'air). Elles ont pour origine une source sonore, c'est à dire un objet en mouvement. L'objet vibre ou oscille lors de ce mouvement, et la surface de cet objet en contact avec l'air génère des ondes acoustiques.

Ces ondes acoustiques peuvent être décrites par des caractéristiques mesurables, quantifiables :

  • Leur amplitude.

  • Leur fréquence.

  • Leur phase.

  • Leur durée.



2.1 L'amplitude.

2.1.1 La forme d'onde.

Rappelons-nous l'oscillateur : Le système masse ressort présentait une position d'équilibre. Une force extérieure effectuait un déplacement vertical de la masse. Le système décrivait alors des oscillations dont l'amplitude dépendait du déplacement initial de la masse. De la même manière, la corde de guitare ou la membrane du tambour, chaque source sonore oscille avec une amplitude qui correspond au déplacement initial. L'amplitude d'une oscillation se mesure en mètre. Si la corde est déplacée plus loin, avec plus de force, par l'onglet, ou si la baguette déplace plus profondément la membrane, les amplitudes de celles-ci seront plus grande.

A leurs tours, les surfaces de la source sonore en contact avec l'air exerceront des forces qui généreront un front de pression, en Pascal (Pa), c'est à dire en Newton par mètre carré. Cette pression est appelée la pression acoustique. Elle varie en même temps que les oscillations de la source sonore et cela génère une onde acoustique.

Illustration 10: Amplitude d'une onde acoustique.

L'onde acoustique peut être schématisée par une forme d'onde. Dans le cas de sons simples, des sons purs, ne contenant qu'une seule fréquence, cette forme d'onde est une sinusoïde. Celle-ci présentent aussi une amplitude (A), en Pascal (Pa). Les points les plus hauts de la sinusoïde correspondent à l'endroit dans l'onde acoustique où la pression est la plus élevée, les points les plus bas correspondent aux pressions les plus faible. Ce sont des maximas et des minimas, aussi appelés crêtes. Un cycle complet de l'onde comprend un maximum, un minimum et deux point ou la pression acoustique est nulle : les racines.



2.1.2 Pression acoustique instantanée.

Les ondes acoustiques se propagent dans l'air. Ce milieu présente déjà une certaine pression : la pression atmosphérique. Chaque surface en contact avec l'air subit une force égale au poids de la colonne d'air qui repose sur celle-ci, à tout l'air qui pèse sur elle jusqu'à la dernière couche d'air avant le vide de l'espace. La valeur moyenne de la pression atmosphérique est de 101325 Pa. C'est une valeur énorme comparée à la pression acoustique générée par les sources sonores.

On peut considérer donc l'onde acoustique comme « l'oscillation d'une pression ». La pression d'équilibre est la pression atmosphérique. La pression acoustique générée par la source sonore fait dévier, osciller, la pression atmosphérique.

On peut mesurer cette pression acoustique à l'aide de microphones spécifiquement calibrés appelés sondes de pression. Pour simplifier, c'est une capsule contenant une membrane sur laquelle est collé une bobine électrique qui traduit le mouvement de la membrane en variation de tension électrique. La forme d'onde de l'onde acoustique est donc restituée sous la forme d'un signal électrique. Les sondes de pression sont calibrées pour mesurer une différence de pression relative à la pression atmosphérique. On ne mesurera donc pas, en l'absence de son, 101325 Pa, mais 0 Pa. C'est donc une mesure directe de la pression acoustique instantanée (pi).

La pression acoustique mesurée par la sonde varie avec le temps, car l'onde acoustique se propage. La pression acoustique est égale à l'amplitude de l'onde sonore lorsque la sonde capte les maximas de l'onde. Elle est nulle lorsque la sonde capte une racine de la forme d'onde. Elle est négative et égale à l'opposé de l'amplitude (-A) lorsqu'elle capte un minimum.



2.1.3 Pression acoustique efficace.

Illustration 11: Pression acoustique efficace.

La pression acoustique instantanée varie, et ce de manière cyclique dans le cas d'une onde sonore sinusoïdale. Ce n'est pas une valeur pratique pour décrire le son. Il est plus pratique d'établir une moyenne qui tient compte du travail, de l'énergie apportée par l'onde acoustique pendant un certain temps. Comme la variation de pression mesurée par la sonde oscille autour de zéro, la moyenne arithmétique de la pression est nulle. On calculera donc la moyenne quadratique de la pression acoustique. En anglais, la moyenne quadratique est appellée root mean square et son acronyme est « RMS ».

La pression acoustique efficace (peff) est la moyenne quadratique de la pression acoustique instantanée. Elle est obtenue en mesurant la pression acoustique instantanée (pi) n fois à intervalle régulier, pendant un temps (T), . On calcule la racine carrée de la somme des pressions mesurées au carré. Cette valeur représente la déviation de pression. On peut la visualiser graphiquement en imaginant l'aire entre la sinusoïde et son axe.

La pression acoustique efficace est donc inférieure à l'amplitude, mais elle est plus pratique à utiliser car c'est une moyenne. La peff des sons perceptibles par l'homme varie de 0,00002 Pa (seuil d'audibilité) à 63 Pa (seuil de douleur) et plus.



2.1.4 Intensité et puissance acoustique.

La pression acoustique permet aussi le calcul de l'intensité acoustique (I), une caractéristique plus abstraite qui donne une idée du flux d'énergie amené par une source sonore (en watt par mètre carré W/m2). L'intensité acoustique est à la pression acoustique ce que la puissance est à la force. Elle se mesure sur le terrain avec des appareils plus complexes qu'une sonde de pression et nécessite de pouvoir mesurer la vitesse des particules d'air.

Illustration 12: Onde stationnaire.

L'intensité acoustique permet de comprendre pourquoi le son génère des ondes stationnaires dans un tube. Les nœuds présentent une pression acoustique nulle mais l'intensité acoustique est constante dans tout le tube. Dans ce cas précis, on calcule l'intensité avec :

L'intensité acoustique permet de déterminer la puissance acoustique d'une source sonore. Dans le cas du tube, si sa section (S) est égale à un mètre carré, la mesure de l'intensité acoustique nous donnera directement la valeur de la puissance acoustique de la source sonore. La puissance acoustique est mesurée en watt (W). Dans les manuels techniques des matériels utilisés en sonorisation, c'est la puissance électrique qui est renseignée. Selon le rendement du matériel, une fraction de cette puissance seulement est utile à la génération des ondes acoustiques, et donc à la puissance acoustique de la source. Typiquement, le rendement est de quelques %.



2.1.5 Échelle relative et logarithmique : le décibel.

La pression acoustique n'est pas une donnée très pratique à utiliser dans les tâches techniques courantes, car elle varie énormément. Sur le terrain, on préférera utiliser une unité qui présente une échelle logarithmique. Une échelle logarithmique est une échelle de mesure dont les graduations ne sont pas linéaire, mais exponentielle. Elle est utile pour représenter graphiquement des mesures qui varient de manière exponentielle.

Imaginons que je m'intéresse au nombre de lapins qu'il y a dans mon jardin. Tous les jours j'effectue un recensement des lapins. Le premier jour, j'en compte dix. Le deuxième, j'en compte cent. Le troisième, j'en compte mille. Je me rend vite compte que la population des lapins suit une croissance exponentielle. Si je décide de représenter graphiquement le nombre de lapins en fonction du nombre de jour avec des échelles linéaires, j'arriverais vite à court de papier tellement la courbe à dessiner montera rapidement.

Si je décide d'utiliser pour l'axe vertical représentant le nombre de lapins une échelle logarithmique, ça peut me simplifier la vie. Les graduation seront donc exponentielles (de base 10) : 10, 100, 1000, 10000, 100000, bref 10n. Au final j'aurais dessiné une simple droite plutôt qu'une courbe exponentielle. Si je compte dans mon jardin mille milliard de lapins, c'est à dire 1012 lapins, comme je sais que leur croissance est exponentielle pour savoir le nombre de jour qui s'est écoulé : log10 (1012) = 12. Douze jours de croissance exponentielle.

Le même problème se pose lorsque l'on tente de caractériser la pression acoustique efficace. Le minimum audible pour un humain est une onde sonore de 20 µPa (20 micropascal ou encore 0,000020 Pa). C'est la pression de référence (pref). La pression acoustique efficace d'un son qui ve si fort qu'il en est douloureux, c'est 63 Pa. Le rapport entre ces deux nombres est énorme (3 millions).

Sur le terrain, on mesure la pression acoustique mais on l'exprime selon une échelle logarithmique relative : le niveau de pression acoustique (Np).

  • C'est une échelle relative car c'est le rapport, la division, d'une pression effective mesurée avec une autre pression de référence (20 µPa). On ne parle donc plus de Pa : on les a divisés. C'est une fraction sans unité.

  • C'est une échelle logarithmique car on calcule le logarithme base 10 du rapport des pressions.

  • On exprime le niveau de pression acoustique (en anglais Sound Pressure Level, SPL) en dBSPL. C'est à dire en décibel sound pressure level. C'est un niveau, une grandeur sans unité, qui est à la pression acoustique ce que le « nombre de jour écoulé » est au « lapin ».

C'est une échelle pratique : le minimum audible est à 0 dBSPL et le seuil de douleur est à 130 dBSPL. Le niveau d'une tronçonneuse est d'approximativement 110 dBSPL. De deux tronçonneuses : 113 dBSPL. De quatre : 116 dBSPL. On admet généralement que doubler la puissance acoustique d'une source sonore équivaut à ajouter 3 dBSPL à son niveau.

On admet aussi que le pression acoustique efficace est proportionnelle à la distance entre la source et l'appareil de mesure. Si on se rapproche de la source, qu'on divise la distance de moitié, on mesurera une pression efficace deux fois plus importante. On ajoutera donc à son niveau 3 dBSPL. A l'inverse, si on double cette distance, la pression efficace sera réduite de moitié. On réduira son niveau de 3 dBSPL.

Voici quelques exemples de sons pour lesquels on a mesuré la pression acoustique efficace et calculé le niveau :

Source sonore Pression acoustique efficace (en Pa) Niveau (en dB)
Seuil d'audibilité 2×10−5 Pa (pref) 0 dB
Respiration calme 6.32×10−5 Pa 10 dB
Pièce insonorisée 2×10−4 – 6.32×10−4 Pa 20 – 30 dB
Conversation normale à 1 m. 2×10−3 – 2×10−2 Pa 40 – 60 dB
Voiture à 10 m. 2×10−2 – 2×10−1 Pa 60 – 80 dB
Bruit d'une autoroute à 10 m 2×10−1 – 6.32×10−1 Pa 80 – 90 dB
Tronçonneuse 6.3 Pa 110 dB
Vuvuzela à 1 m 20 Pa 120 dB
Seuil de douleur 63.2 Pa 130 dB
Lance-roquette ~4000 Pa ~165 dB
Grenade anti-émeute 6,000–20,000 Pa 170–180 dB
Onde de choc d'un avion supersonique 101,325 Pa 194 dB
Tableau 2: Sources, pressions acoustiques RMS et niveaux.


2.1.6 Atténuation.

Les ondes acoustiques se propagent dans le milieu, mais la pression acoustique effective mesurée dépend de la distance qui sépare la sonde de la source. On peut expliquer l'atténuation de pression acoustique générée par une source sonore dans différents cas de figure théoriques :

Premier cas : Un haut parleur est positionné dans un tube étroit qui n'absorbe pas les sons. La puissance acoustique est constante. La surface de dispersion du son, c'est à dire la section du tube, reste constante. L'intensité acoustique est constante. La pression acoustique efficace est constante.

Illustration 13: Atténuation géométrique.

Deuxième cas : Un haut-parleur perché au sommet d'un piquet. La source qui émet des ondes acoustiques dans toutes les directions. Elles ne rencontrent pas d'obstacle à leur propagation. On dit que le haut-parleur émet dans un champ libre. Les ondes acoustiques sont donc émise comme des sphères qui grossissent, le haut-parleur en leur centre.

La source présente une puissance acoustique constante. Elle donne donc une énergie constante par rapport au temps. Cette énergie va se « diluer » lors de l'émission, car elle se répartit sur toute la surface d'une sphère d'émission. La surface totale de la sphère est proportionnelle au carré de son rayon (4πr2). A 1m du haut-parleur, je pourrais mesurer une certaine intensité acoustique. Si je me place à 2m de la source, cette intensité acoustique sera 4 fois plus petite. C'est l'atténuation géométrique. Elle dépend de la géométrie de propagation des ondes acoustiques.

Troisième exemple : Le haut-parleur est positionné cette fois-ci sur le sol, qui n'absorbe pas les sons. Les ondes acoustiques sont émises en demi-sphère. La surface totale de la demi-sphère est proportionnelle au carré de son rayon (2πr2). Si on se place à 2m de la source, l'intensité acoustique sera 2 fois plus petite qu'à 1m.

Retenons donc que l'intensité acoustique diminue avec le carré de la distance. Cela entraîne une diminution de la pression acoustique avec la distance. Dans un champ libre :

  • Si on se positionne deux fois plus loin, la pression sera deux fois plus faible, et son niveau sera réduit de trois dBSPL.

  • A l'inverse, si on se rapproche de la moitié de la distance nous séparant de la source, la pression sera deux fois plus forte et le niveau sera augmenté de trois dBSPL .

Cette atténuation reste très théorique, un autre type d'atténuation vient s'y ajouter : l'atténuation atmosphérique. L'air n'est pas parfaitement élastique. Une partie de l'intensité acoustique sera dissipée sous forme de frottements, de chaleur.

  • Cette atténuation dépend de la fréquence de l'onde acoustique. Plus la fréquence est grande, plus la dissipation est importante. C'est pourquoi on entend une rumeur plus grave quand on s'éloigne des sons de l'autoroute ou de la ville, par exemple.

  • Elle dépend aussi de la composition et de la température de l'air. S'il est plus humide ou plus froid, les sons se propagent un peu plus loin.



2.2 La fréquence.

2.2.1 Fréquence, longueur d'onde et période.

Illustration 14: Onde acoustique et longueur d'onde.

L'onde acoustique est donc une oscillation de pression dans le milieu. Elle peut être schématisée par une forme d'onde. Dans le cas de sons simples ne contenant qu'une seule fréquence, cette forme d'onde est une sinusoïde. Le point le plus haut de cette sinusoïde correspond à l'endroit dans l'onde acoustique où la pression est la plus élevée, le point le plus bas correspond à la pression la plus faible. Ce sont des maximas et des minimas, aussi appelés crêtes. Un cycle complet d'oscillation comprend un maximum, un minimum et deux points ou la pression acoustique est nulle.

On sait aussi que les ondes acoustiques se propagent dans le milieu avec une certaine célérité (c). La célérité du son est constante dans le milieu, quel que soit le son. Elle vaut dans l'air 340 m/s. Un cycle de l'onde mesure une certaine longueur d'onde (λ, lambda) en mètre (m). C'est la distance qu'il y a entre chaque maximas lorsque le son est maintenu. Celle-ci dépend directement de la célérité du son et de la fréquence d'oscillation de la source sonore, égale à la fréquence de l'onde acoustique (f) en Hertz (Hz), c'est à dire le nombre de cycles par seconde.

L'onde se propage et le temps qu'elle met pour franchir une distance égale à sa longueur d'onde est appelé période (T) en seconde. C'est la durée d'un cycle.

Longueur d'onde, période et fréquence sont donc étroitement dépendantes l'une de l'autre, seule la célérité reste constante. Sur le terrain on utilise généralement la fréquence pour caractériser le son. La fréquence (f) est exprimée en Hertz (Hz) et peut être interprétée comme le nombre de cycle de la forme d'onde émis par la source sonore. C'est aussi l'inverse de la période.

La fréquence des oscillations ou des vibrations de la source sonore est donc égale à la fréquence de l'onde acoustique qu'elle produit. Par extension, les périodes sont donc aussi égales. Mais il ne faut pas confondre l'amplitude (A) de l'oscillation de la source sonore et la longueur d'onde du son généré. La longueur d'onde et la période sont utiles sur le terrain pour comprendre certains phénomènes acoustiques posant parfois problème.


Exemple :

  • Un haut-parleur oscille dans l'air à une fréquence de 20 Hz.

  • Un haut-parleur oscille dans l'air à une fréquence de 20000 Hz (20 kHz, kilohertz).



2.2.2 Hauteur du son.

Anglais Français
C Do (Ut)
C sharp / D flat Do dièse / Ré bémol
D
D sharp / E flat Ré dièse / Mi bémol
E Mi
F Fa
F sharp / G flat Fa dièse / Sol bémol
G Sol
G sharp /A flat Sol dièse / La bémol
A La
A sharp / B flat La dièse / Si bémol
B Si
Tableau 3: Noms des notes en anglais, en français.

Tout comme la pression acoustique, la fréquence n'est pas un terme simple à utiliser. En général, la fréquence la plus basse audible vaut 20 Hz, la fréquence la plus haute audible est mille fois plus grande, 20 kHz (kiloherts, 103 hertz). Il est parfois plus simple, surtout pour le musicien, d'exprimer le son qu'il joue ou entend en évoquant sa hauteur.

La hauteur d'un son est la note qui correspond à la fréquence fondamentale de ce son. Imaginons un piano. C'est une caisse de résonance, un ensemble de plaques, qui contient ce qui ressemble à une harpe. Cette harpe contient des cordes de 88 longueurs différentes. Elles sont frappées par 88 marteaux recouverts de mousse, actionnés par le musicien lorsqu'il presse l'une des 88 touches du piano. Cet instrument peut donc produire 88 fréquences fondamentales (et un plus grands nombre encore de fréquences harmoniques).

La première touche du piano est appelée La0 (ou A0). Elle présente une fréquence fondamentale de 27,5 Hz. Douze touches plus loin, on retrouve le La1 (ou A1), sa fréquence est de 55 Hz. Le chiffre derrière le nom de la note désigne l'octave dans lequel la note se trouve. Encore douze touche plus loin, on retrouve le La2 (A2). Sa fréquence est de 110 Hz. Tout le long du piano, les fréquences sont réparties de façon exponentielle. Les touches représentent une échelle logarithmique des fréquences. L'intervalle musical entre le La0 et le La1 est appelé un octave. Si je monte d'un octave (vers la droite), la fréquence double. Chaque octave contient 12 touches, c'est à dire 12 notes ou hauteur différente, réparties de façon exponentielle. Voici un tableau donnant les fréquences des notes de musique :

Illustration 15: Premiers octaves d'un piano.
Octave 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
C 16,35 32,7 65,41 130,81 261,63 523,25 1046,5 2093,01 4186,01 8372,02 16744,04
C# / Db 17,32 34,65 69,3 138,59 277,18 554,37 1108,73 2217,46 4434,92 8869,84 17739,69
D 18,35 36,71 73,42 146,83 293,67 587,33 1174,66 2349,32 4698,64 9397,27 18794,55
D# / Eb 19,45 38,89 77,78 155,56 311,13 622,25 1244,51 2489,02 4978,03 9956,06 19912,13
E 20,6 41,2 82,41 164,81 329,63 659,26 1318,51 2637,02 5274,04 10548,08 -
F 21,83 43,65 87,31 174,61 349,23 698,46 1396,91 2793,83 5587,65 11175,3 -
F# / Gb 23,13 46,25 92,5 185 369,99 739,99 1479,98 2959,96 5919,91 11839,82 -
G 24,5 49 98 196 392 783,99 1567,98 3135,96 6271,93 12543,85 -
G# / Ab 25,96 51,91 103,83 207,65 415,31 830,61 1661,22 3322,44 6644,88 13289,75 -
A 27,5 55 110 220 440 880 1760 3520 7040 14080 -
A# / Bb 29,14 58,27 116,54 233,08 466,16 932,33 1864,66 3729,31 7458,62 14917,24 -
B 30,87 61,74 123,47 246,94 493,88 987,77 1975,53 3951,07 7902,13 15804,27 -
Tableau 4: Hauteurs et fréquences.

La fréquence augmente de note en note en se multipliant par 21/12. La fréquence de la nième touche du piano sera donc obtenue par :

La hauteur et les notes de musique est la notation adoptée en Europe pour décrire les fréquences des sons depuis le moyen-age. La corrélation entre les notes musicales et les fréquences des sons se fait naturellement :

  • Considérons le A1 ou La1. Sa fréquence est de 110Hz. Les sources sonores qui produisent un son d'une fréquence fondamentale de 110 Hz ont tendance à produire toute une série d'harmonique.

  • La première, la troisième et la septième harmonique : 220 Hz, 440 Hz et 880 Hz. Elle correspondent au A2, au A3 et au A4. Entre chacune de ces notes, on a un octave d'intervalle. Ces notes sont presque perçues à l’unisson quand elles sont jouées en accord

  • La deuxième harmonique a une fréquence de 330 Hz et correspond au Mi4 ou E4. Entre La et Mi, ou A et E, on a un intervalle harmonieux : la quinte. Les deux sons se mélangent bien, l'accord qu'il forme est considéré musicalement comme fort. Physiquement, les deux sons sont proches de leurs harmoniques. La cinquième harmonique est elle à 660 Hz, E5, un octave plus haut. C'est le fameux « power chord ».

  • La quatrième harmonique : 550 Hz. C'est un Do#5 ou C#5. L'accord forme une tierce majeure, un accord harmonique fort utilisé musicalement avec une connotation joyeuse.

  • La sixième harmonique : 770 Hz, correspond à un Sol5 ou G5. Cette note forme avec A un intervalle appelé septième, qui a culturellement une connotation plus sophistiquées mais est aussi extrêmement utilisé par les compositeurs de musique.



2.2.3 Timbre, spectre.

On distingue concrètement quatre types de sons :

  • Les sons purs : ces sons présente des formes d'ondes sinusoïdales. Ils n'ont qu'une seule fréquence. Ce type de son est produit par un oscillateur parfait. On en rencontre pas naturellement, c'est un son synthétique.

  • Les sons à spectre de raie. On rencontre souvent ce type de son, sa source sonore est un instrument de musique. Le son émis contient un son pur, une fréquence fondamentale, ainsi qu'un mélange d'autres fréquences :

    • Les fréquences harmoniques, comme celles décrites par l'oscillation d'une corde. Elles sont les multiples de la fréquence fondamentale.

    • Les fréquences « partiels », comme celles rencontrées dans l'oscillation harmonique d'une membrane. Elles ne sont pas des multiples de la fréquence fondamentale, sont moins harmonieuses que des harmoniques.

  • Les sons à spectre continu : Sont des sons contenant un très grand nombre de fréquences réparties aléatoirement. Ce type de son est produit par une chute d'eau par exemple. Ce sont des bruits de frottement continus.

  • Les bruits complexes qui sont un mélange de sons à spectre de raie et à spectre continu.

Sur le terrain, on peut déterminer avec un appareil de mesure le contenu fréquentiel des ondes acoustiques­ en utilisant un microphone et un spectrographe. Le microphone est, comme la sonde, capable de restituer la forme d'onde du son sous forme de signal électrique. On s'intéresse ici aux fréquences contenues dans la forme d'onde du signal.

Illustration 16: Forme d'onde complexe composée de trois ondes de fréquences différentes.

Ce signal électrique complexe qui correspond à la forme d'onde du son capté est analysé par le spectrographe. C'est un ordinateur qui va mesurer et convertir en données numériques la forme d'onde. Ces données seront traitées mathématiquement, elles subiront une transformée de Fourrier. Le signal est décomposé en sons purs, en sinusoïde simple. Le résultat de ces calcul donne de manière assez précise les fréquences et les amplitudes des sinusoïdes contenues dans le signal. Les résultats sont portés en graphique, l'axe horizontal représente l'échelle des fréquences (en Hz) et l'axe vertical le niveau relatif (en dB). Ce graphe est appelé un spectre.

Voici la forme d'onde et le spectre d'un son pur de 220 Hz :

Illustration 17: Forme d'onde et spectre d'un son pur. Une seule raie.

Voici la forme d'onde et le spectre d'un La3 joué sur une guitare (fondamentale de 220 Hz) :

Illustration 18: Son à spectre en raies, La3 de guitare.plusieurs raies correspondent à la fréquence fondamentale et aux harmoniques et partiels.

Voici la forme d'onde et le spectre d'un « bruit blanc » :

Illustration 19: Son à spectre continu, bruit blanc. Les raies constituent une bande continue.

La description des fréquences des sons qu'on rencontre sur le terrain se fait en identifiant la nature du son.

  • Est-ce un son simple, un son pur de fréquence unique ? Quelle est cette fréquence, quelle raie forme-t-elle sur le spectre ?

  • Est-ce un son complexe avec un spectre en raie ? Quelle est sa hauteur/fréquence fondamentale ? Les harmoniques et les partiels du son détermine son timbre/spectre. Quelles sont-elles ?

  • Est un son avec un spectre continu, un bruit ? Toutes les bandes de fréquences présentent-elle le même niveau ?

L'équivalent en terme musical du spectre est appelé le timbre. Deux instruments de musique peuvent jour une note à la même hauteur. Ils émettront des sons à spectre de raie qui contiendront la même fréquence fondamentale, mais dont les harmoniques et partiels différeront. L'oreille détectera la différence de contenu harmonique et permettra de distinguer les deux instruments.

L'analyse spectrale permet d'expliquer pourquoi deux sons perçus à la même hauteur mais joués par deux instruments différents ne sonnent pas de la même manière. Ils présentent tout deux une fréquence fondamentale identique, mais leur spectre, leurs harmoniques et partiels, seront différents. Les régisseurs vétérans, après des années de pratique, utilisent deux spectrographes greffés directement sur leurs têtes : leurs oreilles. Le régisseur débutant peut profiter aujourd'hui avec peu de moyens techniques et des logiciels gratuits d'un spectrographe extrêmement précis.

2.3 La phase.

La première difficulté dans la compréhension des ondes acoustiques, c'est que ce sont des mouvements invisibles. La deuxième difficulté vient du fait que ce sont des ondes. A la manière des supporters dans un stade qui font une holà, l'onde acoustique est un mouvement transmis à travers le milieu.

Une onde simple, unique, se propageant dans un champ libre, c'est à dire sans aucun obstacle à sa transmission, ça n'existe pratiquement pas. Les ondes acoustiques sont émises dans des champs restreints. Elles sont réfléchies ou absorbées par des murs, le sol, le plafond ou d'autres obstacles. Pour ne rien simplifier, les spectacles sont composés de multiples sources sonores. La manière dont ces ondes de même fréquence interagissent (entre elles) est déterminée par leurs phases.



2.3.1 Déphasage et interférences.

On a vu précédemment qu'une onde acoustique dans un tuyau se réfléchissait à son extrémité et donnait naissance à une onde stationnaire. Si on branche dans une pièce un haut-parleur qui diffuse des ondes acoustiques à la fréquence de 20 Hz, cette onde se réfléchira sur les murs. Imaginons une source positionnée à un bout de la pièce. Elle fait face à un mur 17 mètre plus loin. Les ondes acoustiques émises et les ondes acoustiques réfléchies par le mur généreront une onde stationnaire. Dans la pièce il y aura des ventres où le son du haut-parleur sera perçu plus fort, et des nœuds, ou le son s'annulera littéralement et ne sera plus perceptible. Les sons simples, composés d'une seule fréquence, vont dans la pièce générer des ondes stationnaires. La perception de ces fréquences sera énormément influencée par la position de l'auditeur (si celui-ci a les oreilles situées dans un ventre ou dans un nœud).

On peut rencontrer un phénomène similaire lorsque deux sources sonores émettent des ondes acoustiques de même fréquence :

Illustration 20: Deux sources sonores et leurs phases.
  • Si les deux sources sont distantes et que cette distance est égale à la longueur d'onde de la fréquence qu'elles émettent, elles sont en phase. Elles sont aussi en phase si la distance qui les sépare est un multiple entier de leur longueur d'onde (2λ, 3λ, nλ). L'onde résultante est la somme des deux ondes acoustiques. Elles sont « sur la même longueur d'onde ».

  • Si les sources sont séparées d'une distance égale à la moitié de la longueur d'onde, il y a une interférence, une annulation de phase. Les deux ondes s'annulent. Elles s'annulent aussi si la distance qui sépare les sources est égale à 2,5λ ou 3,5λ, bref à nλ + 0,5λ.


Illustration 21: Ondes de surface et interférences.

Rappelons-nous les ondes de surface, les ronds dans l'eau créés lorsque l'on jette un caillou à la surface d'un lac. Elles nous permettent une analogie afin de comprendre les phases des sources sonores. Si deux cailloux sont jetés, les ondes de surfaces générées pourront, selon l'endroit observé, « s'additionner » comme si elles étaient en phase ou au contraire s'annuler et générer des zones d'interférence. Sur la photo, les ondes de surface apparaissent en même temps, mais leurs sources sont espacées de telle sorte qu'elles ne soient pas « sur la même longueur d'onde ». On voit apparaître une zone d'interférence entre les deux points d'impacts des cailloux, mais aussi un treillis de nœuds et de ventre symétriquement à cette médiane.

Ces interférences ressemblent à celles générées pour des ondes acoustiques par deux hauts-parleurs placés dehors en plein air lorsqu'ils diffusent des sons de fréquence égale. On parle de déphasage spatial.

Exemple :

  • Deux haut-parleurs oscillent dans l'air à une fréquence de 220 Hz.

  • La distance qui les sépare est de 7,5m.

        Leur rapport est un nombre entier. Ils sont « sur la même longueur d'onde » et l'espace entre les baffles se comporte comme une onde stationnaire sans interférences. Les deux ondes s'additionnent.

  • La distance qui les sépare est de 8,25m.

        C'est à dire cinq fois et demi la longueur d'onde. Les deux hauts parleurs sont en opposition de phase. Entre ceux-ci, les ondes acoustiques s'opposent et s'annulent.

On retrouve aussi des interférences lorsque deux sources n'émettent pas le son en même temps. Les ondes générées sont elles aussi en déphasage. Une des deux ondes est en retard, la somme des ondes présente des interférences. On parle de déphasage temporel.

  • Si l'une des sources présente un délai égale à la période (T) des ondes qu'elles émettent, elles sont en phase. Elles sont aussi en phase si le délai qui les différencie est un multiple entier de leur période (2T, 3T, nT). L'onde résultante est la somme des deux ondes acoustiques.

  • Si le délai est égal à la moitié de la période (T), il y a une interférence, une annulation de phase. Les deux ondes s'annulent. Elles s'annulent aussi si le délai qui les différencie est égal à 2,5T ou 3,5T, bref à nT + 0,5T.

Exemple :

  • Deux haut-parleurs oscillent dans l'air à une fréquence de 220 Hz.

Le délai (t) entre les sons émis est de 9 ms.

        Leur rapport est un nombre entier. Les sources sont en phase et l'espace entre les baffles se comporte comme une onde stationnaire sans interférences.

  • Le délai qui les sépare est de 11,25 ms.

        C'est à dire deux fois et demi la longueur d'onde. Les deux hauts parleurs sont en opposition de phase. Entre ceux-ci, les ondes acoustiques s'opposent et s'annulent.

Le déphasage concerne donc la différence entre deux sources acoustiques qui émettent la même forme d'onde. Cette différence peut être une distance/un temps. Comparée à la longueur d'onde/ période du signal, on peut déterminer si les sources sont en phase ou s'il y a interférence.



2.3.2 Phase.

Une onde acoustique simple, qui ne contient qu'une seule fréquence, a une forme d'onde qui est une sinusoïde. Cette sinusoïde est un signal cyclique, périodique. La variation de pression augmente (surpression), revient à zéro (patm), diminue (dépression) puis revient encore à zéro (patm). C'est un cycle qui se répète encore et encore si l'oscillation de la source est forcée, maintenue.

  • Si on se place à une distance fixe de la source sonore, l'onde va nous traverser. La célérité de l'onde, la vitesse avec laquelle elle nous traverse, est constante (340 m/s).

  • Par contre la fréquence va déterminer le nombre de cycle par seconde qui va nous traverser. Si la fréquence est de 220 Hz, à chaque seconde on aura capté 220 cycles.

  • Un cycle dure donc 0,0045 s. C'est sa période. Toutes les 0,0045 s, nous pourrons mesurer une surpression suivie d'une dépression.

  • Si à un certain moment de l'émission, je suis parcouru par une surpression, un maximum de pression, une autre personne située 1,5 m plus loin (à une distance égale à la longueur d'onde) sera en phase et mesurera aussi une surpression.

La phase indique à quelle fraction de cycle on en est. Elle s'exprime en rapport (de 0 à 1), en degrés (0° à 360°) ou en radians (0 à 2π). Afin de comprendre son expression, intéressons-nous à la façon de dessiner une sinusoïde. C'est un peu comme quand on déroule un serpentin. On prend un cercle trigonométrique. On donne à son rayon une valeur mathématique : 1. On trace deux axes qui correspondent au diamètre horizontal et au diamètre vertical de ce cercle. La circonférence du cercle vaut 2π (2 fois π fois le rayon, 1). On calcule graphiquement le sinus de chaque portion de cette circonférence en mesurant sa position par rapport à l'axe vertical.

Illustration 22: Cercle trigonométrique et sinusoïde.

Imaginons un point se déplaçant sur la circonférence du cercle dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (sens anti-horlogique). Ce point parcourt avec le temps une certaine portion de la circonférence du cercle : il dessine un arc de cercle (en radian). Cet arc de cercle correspond aussi à un certain angle (en degré). On peut calculer le sinus de cet arc ou de cet angle en mesurant la hauteur du point par rapport à l'axe vertical (sa projection orthogonale). Si on porte en graphique le sinus par rapport à l'arc, on obtient une sinusoïde.

Le mouvement d'un oscillateur par rapport au temps est de nature sinusoïdale. La forme d'onde d'un son simple est elle aussi sinusoïdale. Voilà pourquoi on parle d'angle et de radian quand on exprime la phase d'une onde acoustique. La longueur d'onde ou la période ont donc un équivalent géométrique : Une phase qui vaut 2π ou 360°, un cycle complet.

Afin d'éviter toute confusion, les phases seront à partir de ce point exprimées en degrés (°). Rappelons-nous pourtant que certains appareils exprimeront les phases en rapport (de 0 à 1) ou en radian (de 0 à 2π).



2.3.3 Problème du déphasage : Interférence destructrice.

Le déphasage est pour le régisseur à la fois une source de problème et une façon d'enrichir le mixage du son, car les interférences constructives renforcent les sons en phase tandis que des sons présentant un déphasage de 180°, peuvent totalement s'annuler. Les problèmes de phase apparaissent dès lors qu'on multiplie les sources sonores, comme c'est le cas pour la quasi-totalité de tous les systèmes son, qui, depuis l'invention de la stéréo, comprennent au moins deux haut-parleurs.

Une source sonore placée dans un champ restreint, comme par exemple lorsqu'on positionne un unique haut-parleur dans une pièce, émettra des ondes acoustiques qui rencontreront lors de leur diffusion des obstacles sur lesquels elles vont se réfléchir (comme les parois solides des murs de la pièce). Ces réflexions présenteront elles aussi un déphasage et pourront créer des interférences.

On peut maintenant comprendre pourquoi les ondes stationnaires se forment dans le tube de Kundt. lorsque le haut parleur diffuse un son à la fréquence de résonance du tube. L'onde produite par le baffle et l'onde réfléchie au bout du tuyau sont en phase ; l'onde stationnaire est le résultat de la somme de ces ondes. Si on faisait produire au baffle une fréquence égale à la moitié (ou à 1+1/2, 2+1/2, 3+1/2, n fois et demi) de la fréquence de résonance, on aurait des interférences et les ondes s'annuleraient dans le tube.



2.3.4 Interférences de phase des sons complexes, filtre en peigne.

Deux sons purs peuvent s'annuler totalement lorsqu'ils présentent un déphasage de 180°. Lorsqu'on a affaire à un son complexe, qui contient de nombreuses fréquences, on perçoit aussi très nettement le déphasage, qui prend la forme d'un filtrage en peigne.

Pour comprendre ce qu'est un filtre en peigne, on utilisera un séquenceur ou une table de mixage qui permettra de générer du bruit blanc. Ce bruit présente un spectre continu, c'est un son électronique qui contient théoriquement toutes les fréquences et présente une forme d'onde totalement aléatoire, chaotique. On a donc pas à proprement parler de phase pour ce signal, pourtant on peut entendre des interférences du à un déphasage.

Illustration 23: Spectre d'un bruit blanc présentant un filtrage en peigne. L'échelle horizontale (fréquences) est linéaire pour mettre en évidence la régularité des sillons.

On diffuse ce bruit sur deux haut-parleurs. Ces deux sources sonores restituent le même bruit blanc, mais avec un déphasage qui dépend de la distance entre eux. L'onde sonore qui résulte du mélange de ces bruits blancs déphasés est un bruit blanc qui présente un filtrage en peigne. Le spectre continu du bruit blanc a été comme peigné. Il présente des bandes de fréquences en forme de bosses quelques dB plus fort que le signal du bruit blanc initial. Elles sont séparées par des sillons très fins où les fréquences s'annulent presque.

Les deux baffles sont espacés de 17 cm par exemple. Calculons la fréquence d'un son ayant une longueur d'onde de 17 cm :

S'ils diffusaient un son d'une fréquence de 2kHz, ils seraient en phase, mais ici, ils diffusent du bruit blanc. Le filtrage en peigne présente des bandes réparties autour de 2 kHz, 4 kHz, 6 kHz, 8 kHz, ... Et ainsi de suite (n fois 2 kHz). Les creux affectent les fréquences de 1 kHz, 3 kHz, 5 kHz, 7 kHz, ... et ainsi de suite (n+1/2 fois 2 kHz). Les interférences ont créé un spectre « en peigne » qui ressemble à un spectre à raie qu'auraient formé un son harmonique ayant une fréquence fondamentale de 2 kHz, mais auquel ont aurait gonflé les raies pour qu'elles prennent toute la place d'une bande. On entend d’ailleurs une hauteur et un timbre qui ressemble à un son harmonique de 2 kHz de fréquence fondamentale, comme noyée dans le bruit.

Le filtrage en peigne issu du déphasage spatial entre deux hauts-parleurs est d'autant plus perceptible quand on se déplace devant ceux-ci. Les sillons et les bosses peignent le son en fonction de la différence des distances entre l'auditeur et les haut-parleurs. Pour minimiser son effet, il faut rester à la même distance des deux sources sonores. L'idéal est de former avec les sources un triangle équilatéral, c'est le fameux « sweet spot » du sonorisateur, la position de référence idéale pour mixer.



2.3.5 Gestion du déphasage, de l'antiphase : inversion de phase.

Illustration 24: Micros overhead placés à équidistance de la caisse claire.

Le sonorisateur tente en règle générale d'éviter les déphasages, de prévenir les interférences destructrices et les filtres en peigne, de perdre ne serait-ce qu'une partie du son.

Lors d'une prise de son, si plusieurs micros captent le son émis par une source sonore unique, les signaux captés présenteront eux aussi un déphasage. La distance qui les sépare de la source entraîne un déphasage temporel. Le son arrive avec un délai au micro le plus éloigné. Lorsque ces deux signaux sont mixés et restitués, le son présente lui aussi des interférences. Afin de réduire celles-ci, il faut veiller à ce que les distances entre la source et les différents micros soient égales. Lorsqu'on sonorise une batterie par exemple, deux micros sont placés de par et d'autre de celle-ci afin de capter les sons des cymbales, des toms et de la caisse claire. Cette dernière est sans doute l'élément le plus important et est jouée plus souvent. Les deux micros sont généralement placés à la même distance que la caisse claire pour minimiser les interférences de phase sur celle-ci.

Illustration 25: Sigle du bouton d'inversion de phase.

Parfois, lors de la prise de son d'une caisse claire par exemple, deux micros sont placés de par et d'autre de l'instrument. La caisse claire est un tambour avec une membrane sur le dessus, appelée peau de frappe, et une membrane sur le dessous tendue pour résonner à une certaine fréquence et faire bouger des petits ressorts. Un seul micro n'est généralement pas suffisant pour restituer fidèlement le son de cet instrument complexe. Donc on en met parfois deux, l'un sur le dessus, l'autre dessous. Les ondes recueillies par ces micros présentent des formes d'ondes qui s'opposent. La caisse claire agit comme une plaque qui vibre : quand sur le dessus, la vibration génère des surpressions, sur le dessous on captera des dépressions. On dit que les ondes sont en antiphase, comme deux ondes sinusoïdales déphasées de 180°. Les deux sons sont mixés et l'interférence qui en résulte est l'annulation du son commun aux deux micros : on perd alors une énorme partie du son de la caisse claire.

On peut remédier à cela en utilisant un bouton d'inversion de phase. Les sons captés par les micros sont transformés en signaux électriques. On peut assez facilement renverser la phase de ces signaux : il suffit d'inverser les bornes du circuit. Par commodité, les tables de mixage présentent un bouton d'inversion de phase pour chaque piste, chaque ligne d'entrée, chaque signal qu'elles reçoivent. Les signaux mixés sont alors parfaitement en phase.

Ce bouton d'inversion de phase est très souvent utilisé. En pratique, on essaie de limiter les interférences de phase. Il n'est pas rare d'avoir des signaux interférents, car des micros sont en regard l'un de l'autre, captent la même source mais à des distances différentes, ou parce qu'un câble a été mal soudé et inverse les bornes d'un micro ou d'un haut-parleur. Pour vérifier que deux signaux aient des phases cohérentes on utilisera ce bouton et on le laissera sur la position qui permet un son plus fort et contenant des fréquences graves plus intenses (ayant le moins d'interférences dans le bas du spectre).



2.3.6 Ligne à retard, delay et effets.

Pour corriger le déphasage spatial entre deux baffles, qu'ils soient en phase, on peut créer une ligne de retard sur celui présentant la phase en avance. Lors de grands événements, pour des concerts en plein air ou de grandes salles, quand la diffusion du son nécessite des enceintes de relais, on installe des lignes à retard sur les premiers hauts-parleurs afin que ceux-ci soient en phase. On utilise des effets appelés delays pour créer un déphasage temporel qui viendra contrer le déphasage spatial.

Le déphasage temporel est parfois sciemment provoquée dans un but artistique. C'est un procédé utilisé couramment par les ingés son et les guitaristes pour créer des échos venant s'ajouter au son initial. Lorsque l'écho présente un déphasage d'une cinquantaine de millisecondes (50 ms), on entend plus vraiment d'écho, mais on peut percevoir les interférences du filtrage en peigne à la manière d'un déphasage pour un son complexe. Ce filtrage en peigne peut être modulé et est à la base des effets chorus, phaser, ou flanger.



2.3.7 Mesure du déphasage, goniomètre.

On peut mesurer le déphasage entre deux signaux grâce à un instrument appelé goniomètre, ou correlation-meter ou phase-meter en anglais. On utilise généralement l'appareil ou le programme sur deux pistes destinées à être diffusées en stereo, afin de vérifier que ce qui compose le signal, regroupés en deux canaux, ne s'annule pas par interférence. Sur un écran, un point lumineux décrit des mouvements dépendants de la forme d'onde des deux signaux et laisse une trace lumineuse persistant quelques centièmes de seconde. Le point décrit un mouvement qui suit un premier axe et correspond à l'amplitude de la première forme d'onde, ainsi qu'un mouvement selon un deuxième axe qui suit la deuxième forme d'onde. Les axes sont décalés selon un angle de 45° pour permettre une lecture plus facile, rappelant le fonctionnement d'une boussole pointant dans la direction où le son est perçu quand on se tient au niveau du sweet-spot :

Illustration 26: Goniomètre sur un signal stéréo.

    Si le tracé décrit un segment oblique décrivant un angle de 45° ou 135° (90° +/- 45°), il ne suit qu'un seul axe, on a donc qu'un seul signal. Dans le cas d'un système stereo, seul le canal gauche (135°, nord-ouest sur la boussole) ou le canal droit (45° ou nord-est) diffuse du son.

  • Si le tracé du point décrit un segment vertical (90°, nord), les deux signaux sont en phase. Dans un système stereo bien installé, on percevra le son comme s'il venait de devant.

  • Si le segment est oblique, l'angle qu'il forme sur le goniomètre correspond à la moitié de l'angle du déphasage plus 90°. Plus le segment dévie de la position verticale, plus les interférences seront importantes.

  • Si le tracé est un segment horizontal, les signaux sont en anti-phase (180°, est/ouest). Ils s'annulent. En stereo, on perçoit mal le son, il est affaibli par les interférences et mal localisable, comme s'il venait de la gauche, la droite ou l'arrière de la tête de l'auditeur.

Si les signaux sont différents, comme souvent en stéréo, le tracé sera plus complexe qu'un simple segment. Il se distribuera sur les différents quartiers (ou quadrants) du goniomètre. Imaginons les micros over-head placés de part et d'autre de la batterie. On les mixe et le placement équidistant à la caisse claire fait qu'à chaque fois qu celle-ci est jouée, le goniomètre dessine un tracé en forme de fuseau vertical : le son qui parvient aux deux micros est en phase. Le goniomètre est divisé en quatre quartiers ; quatre quadrants. Si le tracé de l'ensemble de la batterie se distribue sur les quadrants nord et sud (verts sur l'illustration), il y a peu d'interférences. S'il se répartit horizontalement, sur les quadrants est et ouest (rouges), il y a beaucoup d'interférences. On remédie à cela généralement en rapprochant les micros.

Le goniomètre permet de déceler facilement les déphasages. C'est un outil, comme le spectrogramme, qui permet d'éduquer ses oreilles à la détection de ce type de problème. Il existe des programmes gratuits fonctionnant comme des goniomètres, très facile à utiliser sur le terrain pour peu que l'on aie la motivation de les mettre en place et le budget minimum permettant l'achat d'un ordinateur et d'une carte son convenable.



2.3.8 La directivité des sources sonores.

Les déphasages ont des conséquences importantes sur les ondes acoustiques et peuvent être estimés lorsque l'on connaît la longueur d'onde des sons émis par la source. Rappelons-nous l'exemple des deux haut-parleurs émettant des sons à la même fréquence.

  • La fréquence est de 200 Hz. La longueur d'onde de ces sons est égale à 1,7 m. Les baffles sont en phase lorsqu'on les place à cette distance, ou l'un de ses multiples (0 m, 1,7 m, 3,4 m, 5,1 m, ...).

  • Si les haut-parleurs diffusent des sons d'une fréquence de 20 Hz, ils sont parfaitement en phase quand ils sont à la même position, ou distants d' au moins 17 m.

  • S'ils diffusent à la fréquence de 20 kHz (20000 Hz), is sont parfaitement en phase quand ils sont espacés de 17 mm !

Dans ce dernier cas, on se rend compte que la longueur d'onde est tellement petite par rapport aux dimensions (d) de la source sonore qu'on aura inévitablement sur un seul et même haut-parleur des points qui présenteront un déphasage. On peut simplifier en deux cas de figure :

  • La longueur d'onde du son émis est très grande par rapport aux dimensions de la source sonore. Le son se propage dans toutes les directions sans interférence.

  • La longueur d'onde est égale ou petite par rapport aux dimensions de la source sonore. Il y aura inévitablement des interférences. Selon la forme de l'objet, la diffusion du son sera favorisée dans certaines directions, il présentera une certaine directivité.

Tout cela entraîne une conséquence simple : pour une source sonore capable d'émettre des sons complexes ou des spectres à raie, les basses fréquences se propagent dans toutes les directions, les hautes fréquences se propagent en ligne droite.

Une enceinte reproduira fidèlement un son contenant aussi bien des basses et des hautes fréquences dans une région devant elle dénommée le cône de diffusion. Hors de ce cône, l'auditeur ne percevra plus correctement les hautes fréquences. Le régisseur choisit des hauts-parleurs et les dispose pour que les cônes de diffusion de ceux-ci couvre la zone dans laquelle le public se tient lors de l’événement. Lors d'un concert les musiciens ont eux aussi droit à leur propre système de diffusion : des baffles de retour. Ceux-ci sont généralement plus petits que les baffles de façade (FOHs, front of hall) car ils ne nécessitent pas la restitution des fréquences les plus basses : elles sont audibles de la scène par les FOHs qui diffusent les bases du son du concert partout, même derrière eux.

La directivité du son est aussi importante lors de la prise de son. On peut avec un peu de logique estimer dans quelle direction par rapport à un instrument le micro à placer permettra de capter un signal fidèle au son naturel.

  • Capter le son d'un trombone est relativement facile. On place généralement un micro dans l'axe du pavillon. C'est une source sonore puissante qui émet beaucoup de basses fréquences et la forme de l'instrument est assez simple, le pavillon forme un tube et une plaque vibrante. Même si le micro n'est pas placé dans l'axe, le son sera assez fidèle à l'instrument.

  • Dans le cas d'une flûte traversière, les choses se compliquent. C'est une source sonore faible qui émet beaucoup de hautes fréquences, la forme de l'instrument est complexe et chacun des trous de l'instrument émet avec un déphasage. La directivité de cet instrument est complexe. On commencera par placer un micro au dessus de la flûte, afin d'éviter des différences de distance trop importantes avec les trous de l'instrument, puis on expérimentera en bougeant le micro afin de restituer au mieux les hautes fréquences de l'instrument.

  • On peut aussi se servir de la directivité du son en plaçant un micro hors de l'axe du cône de diffusion d'un haut-parleur d'un ampli de guitare électrique qui diffuse trop d'aigus. Le son capté sera moins « criard », moins riche en haute fréquences.

La directivité du son entraîne aussi parfois une certaine incompréhension entre l'artiste et le régisseur. Le timbre d'une source est perçu de façon très différente selon la position de l'auditeur. La voix d'un chanteur peut lui paraître dans les enceintes de retour ou à l'écoute de l'enregistrement très différente de celle qu'il perçoit d'habitude de manière naturelle. Le régisseur doit faire preuve de patience et comprendre la situation inconfortable dans laquelle l'artiste ou le conférencier sonorisé se trouve.



2.4 La durée.

Les sources sonores sont des membranes, des plaques, des cordes ou des tubes dont l'oscillation génère des ondes acoustiques. Ces oscillations sont amorties : l'énergie du mouvement se dissipe au fil du temps, dans l'air sous forme de son, ou sous forme de chaleur. Le mouvement n'est pas perpétuel et les ondes acoustiques qu'il génère s'estomperont elles aussi. Le son se caractérise par sa durée, l'intervalle de temps entre sa naissance, le début de l'oscillation, et son extinction, quand il est trop faible pour être encore perçu.



2.4.1 Familles d'instruments, types d'oscillations.

On peut classer les instruments de musique en quatre grandes familles :

  • Les percussions : ces instruments produisent un son à l'aide d'impulsions. Cette famille réunit les tambours, grosses caisses, caisses claires et le xylophone. Les membranes ou les plaques qui constituent l'instrument sont frappées et le son produit est de courte durée.

  • Les instruments à cordes : comme la guitare, le violon, le piano. Les cordes sont pincées, frottées ou frappées. Le son peut être relativement court, quand les cordes sont pincées et frappées, ou maintenu quand les cordes sont frottées.

  • Les instruments à vent : ces instruments sont constitué d'un tube dans lequel une colonne d'air vibre. On citera la voix, la trompette, la flûte, l'orgue. Les oscillations de la colonne d'air peuvent être maintenues pendant une longue durée.

  • Les instruments électromécaniques, électroniques ou virtuels : l'orgue Hammond, les synthétiseurs, les ordinateurs, peuvent imiter les sons produits par les instruments classiques ou, au contraire, générer des sons de synthèse.

Le type d'oscillation de la source sonore déterminera la durée du son :

  • L'oscillation amortie, qui est générée par une impulsion, une force qui n'est pas maintenue, va générer un son dont l'amplitude va diminuer au fil du temps, s'éteindre. C'est le cas pour les instruments de la famille des percussions, et des cordes quand celles-ci sont pincées ou frappées.

  • Les oscillations forcées, qui sont générées par une force maintenue dans le temps, vont générer des sons dont l'amplitude est maintenue elle aussi. Le son durera jusqu'à ce que la force disparaisse. Il s'éteindra alors finalement comme lors d'une oscillation amortie. Les instruments à cordes frottées et les instruments à vent présentent des oscillations forcées.



2.4.2 Dynamique d'un son : l’enveloppe temporelle.

La façon dont l'amplitude d'un son varie selon sa durée est une caractéristique fondamentale de ce son. On parle de dynamique d'un son en soustrayant son niveau minimal de son niveau maximal. Il correspond à la nuance, un terme musical qui qualifie l'intensité d'une note jouée. Cette nuance est décrite par des adjectifs en italien sur la partition du musicien. Une nuance pianissimo présente une faible amplitude, le musicien la joue ou la chante doucement, sa dynamique est petite. Une nuance fortissimo présente une grande amplitude, le musicien souffle, frappe, frotte ou gratte fort ; la dynamique est grande. Si on demande à un batteur de jouer une note forte de caisse-claire, il exercera sur la membrane de celle-ci une impulsion qui générera une oscillation amortie. On mesurera alors un son dont le niveau de pression acoustique montera en quelques millisecondes à 110 dBSPL et s'éteindra très vite. Une seconde plus tard, le bruit ambiant du studio, dont le niveau est de 30 dBSPL, recouvrira le son de la caisse claire. Le son capté présentera une dynamique de 80 dB (110-30 dB).

Si on porte le niveau de pression acoustique instantané développé par un son un en fonction du temps, le tracé représente son enveloppe temporelle. Son tracé est un peu comme un drap enveloppant la forme d'onde du son. Celle-ci peut être subdivisée en quatre parties :

    Illustration 27: Envelope temporelle recouvrant une forme d'onde.

    L'attaque (Attack) : c'est le première partie qui constitue le son. Elle est caractérisée par une montée rapide du niveau. Cette période correspond à la mise en place et au début des oscillations de la source sonore. Elle passe de l'immobilité au mouvement, les fréquences fondamentales et harmoniques ne sont même pas encore établie, c'est une période de transition dont le spectre peut être très différent : il contient les fréquences transitoires du son. Cette montée atteint un pic d'amplitude (peak).

    • Pour des sons générés par des impulsions, l'attaque dure généralement une dizaine de millisecondes. C'est par exemple le bruit de l'onglet sur la corde de guitare ou du maillet de la pédale de grosse caisse.

    • Pour des sons générés par des oscillations forcées, l'attaque peut durer une centaine de millisecondes.

  • Le déclin (Decay) : représente une première baisse de niveau après le maximum atteint à la fin de l'attaque, le pic (peak). Cette période varie avec le type de son. Elle représente le moment où la résonance se met en place. L'énergie apportée par la force à l'oscillateur se répartit et le mouvement complexe de l'attaque est transformé en oscillation. La fréquence fondamentale, les harmoniques et les partiels commencent à apparaître dans le spectre.

    • Pour des impulsions, cette période dure quelques millisecondes.

    • Pour les oscillations forcées, elle est presque inexistante car l'apport constant d'énergie force les oscillations. L'amplitude maximale est maintenue après l'attaque.

  • Le maintien (Sustain) : C'est la période pendant laquelle le niveau du son est maintenu constant ou diminue en pente douce, forme un palier. Le spectre du son contient la fondamentale, les harmoniques et partiels et les niveaux de ces fréquences restent assez stables.

    • Pour des oscillations amorties générées par des impulsions, cette phase est généralement courte. L'énergie du système est dissipée rapidement. Le sustain d'une note de guitare, d'une corde pincée, ne dure qu'une seconde avant que le niveau ne décroisse vite. Il est encore plus court pour la grosse caisse et ne dure alors que quelques centaines de millisecondes, mais contient les basses fréquences, le « corps »N du son de cet instrument. Il peut être long lorsque la résonance est importante, comme pour les oscillations d'un xylophone.

    • Pour un oscillateur forcé, le sustain peut durer très longtemps, parfois des dizaines de secondes. Tant qu'il y a des forces d'entretien pour maintenir les oscillations, que l'on souffle de l'air dans le larynx ou le tube de l'orgue, tant que l'on frotte la corde du violon avec l'archet, le sustain dure.

  • Le relâchement (release) : Il constitue l'extinction du son, la diminution du niveau jusqu'à ce que l'on ne le perçoive plus. L'énergie de l'oscillateur se dissipe rapidement, le mouvement finit par s'estomper. La fondamentale, les harmoniques et les partiels présentent des amplitudes qui diminuent avec le temps.

    • Pour un oscillateur amorti, le release est relativement court. Il varie de quelques centaines de millisecondes pour des sons de percussions, à quelques secondes pour des cordes pincées.

    • Pour un oscillateur forcé, le release est aussi assez court, surtout quand on le compare au sustain. On ne maintient plus les forces d'entretien, les oscillations forcées deviennent des oscillations amorties et finalement le mouvement s'estompe.

Instruments Famille Type d'oscillation(s) Envelope
Tambours Percussions Libres
Xylophone
Cymbales
Piano Instruments à cordes
Guitare
Violon Forcées

Flûtes Instruments à vent
Clarinette
Cuivres
Voix
Guitare électrique Instruments électromécaniques / virtuels Forcées / Imitation d'oscillations libres Envelope déterminée par le musicien / mixeur
Synthétiseurs
Ordinateurs
Tableau 5: Familles d'nstruments, type d'oscillation et envelope.

Même si l'attaque et le déclin sont des périodes très courtes, elles sont cruciales car elles contiennent le pic d'amplitude (peak) et les fréquences transitoires du son. Au même titre que le timbre, elles sont responsables de la bonne identification des sons, des spécificités sonores des instruments. C'est d'autant plus vrai pour les sons d'oscillateurs amortis. Pour beaucoup de sons de percussions, ces périodes constituent presque l'entièreté du son. Aussi, on entend une nette différence entre un corde pincée avec un doigt et la même pincée avec un onglet : les deux sons contiennent des fréquences transitoires différentes.Dans un souci pratique, les termes anglais seront ici utilisés. Les termes « attaque », « déclin », « maintien » et « relâchement » seront donc anglicisé : « Attack », « decay », « sustain » et « release » sont en effet utilisés sur le terrain, on les retrouve sur bon nombre de boutons d'appareils dans les outils de mixage du régisseur. Il est aussi fréquent d'entendre l'acronyme ADSR, comme dans le terme de l'enveloppe ADSR, qui caractérisé la dynamique du son en fonction de sa durée. C'est un synonyme de l'enveloppe temporelle.



2.4.3 Spectrogramme, sonogramme.

Illustration 28: Spectrogrammes et formes d'onde de quelques sources sonores.

Le spectre d'un son évolue avec le temps. L'attack et le decay du son contiennent les fréquences transitoires, le sustain et le release contiennent la fondamentale et les harmoniques/partiels. Dans l'analyse spectrale, le spectre d'un son est un cliché instantané qui n'est pas vraiment représentatif de ce que l'on entend. Le spectrogramme est la mesure continue du spectre d'un son portée en fonction de sa durée (du temps). C'est un « film spectral » qui permet de mettre en évidence aussi bien les transitoires que la fondamentale et les harmoniques/partiels. On sacrifie la quantification du niveau pour représenter en deux dimension le déroulement du spectre du son.Certains spectrogramme permettent de se faire quand même une idée du niveau des fréquences en présentant un tracé multicolore. Ce sont des sonogrammes. Il existe aussi des spectrogrammes en trois dimensions. Les programmes de visualisation et d'analysé spectrale se sont multipliés. Certains sont gratuits et ne demandent pas d'énorme puissance de calcul. Un ordinateur très modeste permet de les employer.