Fiche de cours
Caractéristiques des sons musicaux
- Fiche de cours
- Quiz et exercices
- Vidéos et podcasts
Objectifs :
Cette fiche est une fiche de synthèse concernant les
sons musicaux. En effet, elle reprend certaines notions
liées au programme obligatoire, comme l’analyse
fréquentielle, l’intensité acoustique, et
certaines notions de spécialité, comme
l’enveloppe d’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. Dans
cette fiche, nous proposons d’étudier les liens
entre ces termes musicaux et ces grandeurs physiques, et de
voir leur influence sur la perception auditive.
1. Types de son
a. Son pur
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.
b. Son complexe et son musical
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.
c. Analyse fréquentielle d'un son
périodique
Comme vu dans la fiche « Analyse
spectrale », 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.
Vibrations résultant de la superposition
d'harmoniques
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.
Spectre des fréquences du son à harmonies multiples
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.
Vibrations résultant de la superposition
d'harmoniques
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.
Spectre des fréquences du son à harmonies multiples
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.
2. Hauteur d'un son musicial
a. Définition
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). Le terme de
hauteur vient du fait que les notes sont écrites
sur une portée musicale de telle manière
que la position verticale de la note sur la portée
correspond à son nom. La hauteur d’un son
est la caractéristique qui permet de dire si un
son est aigu ou grave.
Lorsque les sons musicaux se succèdent ou se
superposent, l’oreille est sensible au rapport de
leur hauteur, ce qui fait que certains
enchaînements de sons musicaux sont
agréables à l’oreille, ou non.
b. Les différentes notes de musique
Comme nous venons de le voir, chaque note est
caractérisée par une fréquence
fondamentale déterminée. Lorsque deux notes
sont séparées d’une octave, le
rapport de leur fréquence est égal
à deux. Dans la pratique, ces deux notes ont
le même nom, comme par exemple le la de
l’octave 3 et le la de l’octave 4,
nommée couramment la3 et la4 pour
éviter toute ambigüité entre
elles.
On appelle gamme l’ensemble des notes composant une octave donnée. Dans la gamme tempérée, c'est-à-dire celle utilisée dans la musique occidentale, l’octave est divisée en 12 demi-tons, ce qui correspond à 12 notes, en comptant les notes diésées (#). Le rapport des fréquences de 2 notes consécutives, donc séparées par un demi-ton, est de 21/12 . En conséquence, les fréquences des notes d’une gamme suivent une progression géométrique de raison 21/12 (cf. suites géométriques).
On appelle gamme l’ensemble des notes composant une octave donnée. Dans la gamme tempérée, c'est-à-dire celle utilisée dans la musique occidentale, l’octave est divisée en 12 demi-tons, ce qui correspond à 12 notes, en comptant les notes diésées (#). Le rapport des fréquences de 2 notes consécutives, donc séparées par un demi-ton, est de 21/12 . En conséquence, les fréquences des notes d’une gamme suivent une progression géométrique de raison 21/12 (cf. suites géométriques).
| Octave | do | do# | ré | ré# | mi |
fa |
fa# |
sol | sol# |
la |
la# | si |
| 3 | 261,63 | 277,18 | 293,66 | 311,13 | 329,63 | 349,23 | 369,99 | 392,00 | 415,30 | 440,00 | 466,16 | 493,88 |
| 4 | 523,25 | 554,37 | 587,33 | 622,25 | 659,26 | 698,46 | 739,99 | 789,99 | 830,61 | 880,00 | 932,33 | 989,77 |
Fréquences fondamentales des notes des
octaves 3 et 4
3. Notion de timbre
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 (courbes
bleues ciel) de deux sons musicaux de même hauteur
nous permettent de vérifier que ces deux sons ont
même période, donc même fréquence
fondamentale. Par contre, les allures de ces deux sons
en fonction du temps son très
différentes. Les spectres de Fourier des deux
sons font apparaître des harmoniques de
mêmes fréquences, mais
d’amplitudes différentes d’un son
à l’autre.
Physiquement, la notion de timbre s’explique ainsi par le poids des harmoniques composant les sons musicaux étudiés. Autrement dit, le timbre d’un son musical peut être caractérisé par la forme de son spectre en fréquences : nombre et amplitudes relatives des harmoniques.
Physiquement, la notion de timbre s’explique ainsi par le poids des harmoniques composant les sons musicaux étudiés. Autrement dit, le timbre d’un son musical peut être caractérisé par la forme de son spectre en fréquences : nombre et amplitudes relatives des harmoniques.
4. Enveloppe d'un son musical
Une note a un début et une fin.
L’oscillogramme d’une note, indiquant son
évolution au cours du temps, est complexe. Il se
compose de quatre phases : attaque,
déclin, maintien (corps de la note) et
extinction. La courbe décrivant
l’évolution de l’amplitude du son au
cours du temps est l’enveloppe du son musical.
L’enveloppe dépend de l’instrument
utilisé et de la manière d’en
jouer.
Exemple : façon d’appuyer sur les touches d’un piano, durée pendant laquelle on souffle dans un instrument à vent, etc.
Exemple : façon d’appuyer sur les touches d’un piano, durée pendant laquelle on souffle dans un instrument à vent, etc.
Remarque : le poids de chaque harmonique peut varier
entre l’attaque et l’extinction. Ainsi, il
n’y a pas que l’amplitude du son qui varie au
cours du temps : le spectre du son est susceptible
d’évoluer également.
5. Intensité acoustique et niveau sonore
a. Puissance acoustique d'une source sonore
On peut caractériser une source sonore par sa
puissance acoustique W, qui est
l’énergie par unité de temps
emportée par l’onde sonore émise.
Une puissance acoustique s’exprime, comme toute
puissance, en Watts. Lorsque l’on
se trouve à une distance fixe de la source, si
l’on augmente la puissance acoustique de cette
dernière, alors on percevra un son plus
fort.
b. Intensité acoustique d'un son reçu
Considérons une source sonore, émettant
à une certaine puissance acoustique W
constante. Si l’on s’éloigne de la
source, on perçoit un son moins fort.
Pour comprendre ce phénomène, nous considérons que la source est ponctuelle et que le son se propage dans l’air sans rencontrer d’obstacle. Le son se propage alors dans un espace tridimensionnel. Ses fronts d’onde sont des sphères centrées sur la source émettrice, dont les rayons augmentent avec le temps, au fur et à mesure que le son se propage. À un instant donné, la puissance acoustique W émise se répartit sur la surface d’une sphère de rayon R. S’il n’y a pas absorption par le milieu de propagation, W est conservée.
La sensation qu’un son perçu soit fort ou pas est liée à l’intensité acoustique I du son, exprimée en W/m2 , et liée à W par la relation :
I est ainsi une puissance surfacique (puissance par unité de surface). En conséquence, plus on se place loin de la source, c'est-à-dire plus le rayon R de la sphère est grand, plus l’intensité acoustique I du son perçu sera faible, et donc plus on percevra ce son comme faible. D’ailleurs, la formule nous permet de voir que si l’on double R, alors on divise I par quatre. Ainsi, un récepteur sonore (ex : tympan d’une oreille), de surface s reçoit une intensité acoustique quatre fois plus faible quand sa distance à la source émettrice double.
Pour comprendre ce phénomène, nous considérons que la source est ponctuelle et que le son se propage dans l’air sans rencontrer d’obstacle. Le son se propage alors dans un espace tridimensionnel. Ses fronts d’onde sont des sphères centrées sur la source émettrice, dont les rayons augmentent avec le temps, au fur et à mesure que le son se propage. À un instant donné, la puissance acoustique W émise se répartit sur la surface d’une sphère de rayon R. S’il n’y a pas absorption par le milieu de propagation, W est conservée.
La sensation qu’un son perçu soit fort ou pas est liée à l’intensité acoustique I du son, exprimée en W/m2 , et liée à W par la relation :
I est ainsi une puissance surfacique (puissance par unité de surface). En conséquence, plus on se place loin de la source, c'est-à-dire plus le rayon R de la sphère est grand, plus l’intensité acoustique I du son perçu sera faible, et donc plus on percevra ce son comme faible. D’ailleurs, la formule nous permet de voir que si l’on double R, alors on divise I par quatre. Ainsi, un récepteur sonore (ex : tympan d’une oreille), de surface s reçoit une intensité acoustique quatre fois plus faible quand sa distance à la source émettrice double.
En résumé, l’intensité
acoustique I est définie comme
la puissance sonore reçue par unité de
surface (par ex. du récepteur). Elle se
mesure en Watts par mètre carré
(W/m2). Pour un même récepteur,
elle est fonction de la distance entre
l’émetteur et le récepteur.
Remarque (non exigible) : l’intensité
acoustique est proportionnelle au carré de
l’amplitude de l’onde sonore.
c. Niveau sonore
Le niveau sonore L sert à exprimer
combien de fois une intensité sonore I
est plus grande qu’une autre prise comme
référence, dans une échelle
logarithmique (voir fiche sur le décibel). Le
niveau sonore L est définit comme :
L s’exprime en décibels acoustiques (symbole : dBA) et est mesurée avec un sonomètre. I0 est une intensité acoustique prise comme référence, qui correspond au seuil d’audibilité théorique de l’oreille humaine aux environs de 1000-2000 Hz. En effet, l’oreille humaine perçoit des sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz, mais la sensibilité de l’oreille varie avec la fréquence. Elle est ainsi maximale autour de un ou deux kHz. On a alors I0 = 10–12 , correspondant à un niveau sonore L = 0 dB . Pour information, le seuil de la sensation douloureuse est de l’ordre de 120 dB.
L s’exprime en décibels acoustiques (symbole : dBA) et est mesurée avec un sonomètre. I0 est une intensité acoustique prise comme référence, qui correspond au seuil d’audibilité théorique de l’oreille humaine aux environs de 1000-2000 Hz. En effet, l’oreille humaine perçoit des sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz, mais la sensibilité de l’oreille varie avec la fréquence. Elle est ainsi maximale autour de un ou deux kHz. On a alors I0 = 10–12 , correspondant à un niveau sonore L = 0 dB . Pour information, le seuil de la sensation douloureuse est de l’ordre de 120 dB.
L'essentiel
Un son musical émis est défini par :
• sa hauteur, caractérisée par sa fréquence fondamentale. Le nom d’une note est lié à sa hauteur, donc à sa fréquence fondamentale. Dans la gamme tempérée, le rapport des fréquences de deux notes consécutives au sein d’une octave est égal à 21/12.
• son timbre, qui dépend de la composition des harmoniques, permet de distinguer deux notes de même hauteur jouées par deux instruments différents.
• son enveloppe, c'est-à-dire la manière dont évolue son amplitude au cours du temps.
• son intensité acoustique I, qui permet de différentier un son perçu comme fort d’un son faible. I est la puissance sonore reçue par unité de surface. Elle s’exprime en W / m2. On associe l’intensité acoustique au niveau sonore L défini par
,
avec
I0 = 10–12 W/m2.
Le niveau sonore L s’exprime en décibels
acoustiques (dBA).
• sa hauteur, caractérisée par sa fréquence fondamentale. Le nom d’une note est lié à sa hauteur, donc à sa fréquence fondamentale. Dans la gamme tempérée, le rapport des fréquences de deux notes consécutives au sein d’une octave est égal à 21/12.
• son timbre, qui dépend de la composition des harmoniques, permet de distinguer deux notes de même hauteur jouées par deux instruments différents.
• son enveloppe, c'est-à-dire la manière dont évolue son amplitude au cours du temps.
• son intensité acoustique I, qui permet de différentier un son perçu comme fort d’un son faible. I est la puissance sonore reçue par unité de surface. Elle s’exprime en W / m2. On associe l’intensité acoustique au niveau sonore L défini par
,
avec
I0 = 10–12 W/m2.
Le niveau sonore L s’exprime en décibels
acoustiques (dBA).
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