Le son est une onde générée par la vibration mécanique d’un support fluide ou solide et se propage grâce à l’élasticité du milieu environnant sous forme d’ondes longitudinales. Par extension, le son désigne la sensation auditive résultant de cette vibration.
L’étude des sons est appelée acoustique. La psychoacoustique, qui combine l’acoustique avec la physiologie et la psychologie, détermine comment les sons sont perçus et interprétés par le cerveau.
Propagation du son
Dans un milieu compressible, généralement de l’air, le son se propage sous forme de variations de pression créées par la source sonore. Par exemple, un haut-parleur utilise ce mécanisme. Il est important de noter que seule la compression se déplace et non les molécules d’air, à l’exception de quelques micromètres. Lorsqu’on observe des ondulations à la surface de l’eau, les vagues se déplacent mais l’eau reste en place, se déplaçant uniquement verticalement et ne suivant pas les vagues. De même, le son se propage dans les solides sous forme de vibrations des atomes appelées phonons. Là encore, seule la vibration se propage et non les atomes qui vibrent faiblement autour de leur position d’équilibre.
La vitesse de propagation du son, également appelée célérité, dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l’air se comporte presque comme un gaz parfait, la pression a très peu d’influence sur la vitesse du son. Dans un gaz parfait, la célérité est déterminée par la relation :
où ρ est la masse volumique du gaz et κ sa compressibilité.
Il est donc évident que la célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d’inertie) et lorsque sa compressibilité (sa capacité à changer de volume sous l’effet de la pression) augmente. Lorsqu’il s’agit de l’atmosphère, il est également nécessaire de prendre en compte la structure thermique de l’air traversé ainsi que la direction du vent, car :
- le son se propage moins bien à l’horizontale qu’à des angles ascendants en raison du changement de densité (ceci est pris en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l’antiquité)
- l’atténuation est nettement moins prononcée sous le vent tant que le régime aérien n’est pas trop turbulent
- le son peut littéralement être “porté” par une inversion de température basse. Par exemple, après le refroidissement nocturne, il est possible d’entendre un train à 5 km d’une voie ferrée sous le vent malgré les obstacles. Dans ce cas, le son est contraint de se propager sous l’inversion en tant qu’effet de guide d’onde.
Les ondes sonores se déplacent à environ 344 mètres par seconde dans l’air à 20 °C, ce qui peut être arrondi à environ un kilomètre toutes les trois secondes, ce qui est utile pour estimer grossièrement la distance d’un éclair lors d’un orage (la vitesse de la lumière rendant sa perception quasi instantanée). Dans des milieux solides (non gazeux), le son peut se propager encore plus rapidement. Par exemple, dans l’eau, sa vitesse est de 1482 m/s et dans l’acier de 5050 m/s. Le son ne peut pas se propager dans le vide car il n’y a pas de matière pour soutenir les ondes produites. Le son se propage grâce aux déplacements des molécules d’air. Il s’agit d’une onde dite longitudinale, car les particules matérielles se déplacent dans la même direction que le déplacement de l’onde (l’autre type étant les ondes transversales).
Fréquence et hauteur
La fréquence d’un son est exprimée en Hertz (Hz). Elle est directement liée à la hauteur perçue du son, mais elle n’en est qu’un des composants. À une fréquence basse correspond un son grave, tandis qu’une fréquence élevée correspond à un son aigu.
Chaque être vivant doté de l’ouïe ne peut percevoir qu’une partie du spectre sonore :
- Les physiologistes s’accordent à dire que l’oreille humaine moyenne perçoit les sons dans une certaine plage de fréquences située à environ entre 20 Hz (en dessous de cela, les sons sont qualifiés d’infrasons) et 20 kHz (au-dessus de cela, les sons sont qualifiés d’ultrasons).
- Les chats peuvent percevoir des sons jusqu’à 25 kHz.
- Les chiens peuvent percevoir des sons jusqu’à 35 kHz.
- Les chauves-souris et les dauphins peuvent percevoir des sons jusqu’à 100 kHz.
Certains animaux utilisent leur capacité à couvrir une large gamme de fréquences à des fins diverses :
- Les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance.
- Les dauphins communiquent grâce aux ultrasons.
- Les chauves-souris émettent des ultrasons (~80 kHz) avec leur système d’écholocation, leur permettant de se déplacer et de chasser dans l’obscurité totale.
Pour les fréquences correspondant aux notes de musique de la gamme tempérée de la musique classique occidentale, voir “Gamme tempérée > Comparaison de 3 systèmes de division de l’octave”.
Amplitude et intensité
L’amplitude est une autre caractéristique importante d’un son. L’intensité perçue dépend (entre autres) de l’amplitude : le son peut être fort ou doux (les musiciens disent “forte” ou “piano”). Dans l’air, l’amplitude correspond aux variations de pression de l’onde.
Unité de mesure
Alors que la pression est généralement mesurée en pascals, en acoustique, l’intensité est mesurée en décibels (dB). Il s’agit d’une unité qui utilise le logarithme du rapport entre l’intensité sonore et l’intensité de référence exprimée en watts par mètre carré (W0 = 10-12W.m-2) ou du rapport entre la pression produite et la pression de référence exprimée en pascals (P0 = 2.10-5 Pa). Cette unité a été choisie car elle permet d’obtenir des chiffres facilement manipulables qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits, et qu’elle correspond mieux à la perception auditive humaine en termes de sensation sonore.
Cependant, la notion de niveau sonore donne seulement une idée vague de la sensation perçue, car il faut prendre en compte la sensibilité de l’oreille, qui varie principalement en fonction de la fréquence du son (l’oreille est moins sensible aux basses fréquences). Une meilleure approximation du volume perçu est donnée en décibel pondéré A (dBA). Cela peut être mesuré électroniquement après le filtrage du signal par un filtre pondéré A (il existe également des pondérations B et C adaptées aux mesures de sons d’intensités plus élevées).
0 dB correspond au seuil d’audibilité, c’est-à-dire au minimum que l’oreille humaine peut percevoir, et non au silence absolu. Cette valeur a été choisie par expérimentation pour un son de fréquence de 1000 Hz et correspond à une intensité de 10-12 W.m-2, bien que la plupart des individus aient un seuil d’audibilité supérieur à 0 dB (environ 4 dB). Le seuil de douleur est de 130 dB, mais l’oreille peut subir des dommages à partir de 85 dB.
Il suffit de changer la référence de puissance ou de pression (P0 ou W0 dans les formules ci-dessus) pour que l’échelle des volumes soit complètement modifiée. C’est pourquoi les décibels indiqués sur le bouton de volume d’une chaîne Hi-Fi ne correspondent pas du tout à des niveaux acoustiques mais à des puissances électriques de sortie de l’amplificateur, ce qui est pratiquement sans rapport. La valeur 0 dB représente souvent la puissance maximale que l’amplificateur peut délivrer.
Niveau de bruit en puissance
Niveau de bruit en pression
Différentes mesures de l’amplitude
Il existe plusieurs façons de mesurer l’amplitude d’un son, et par extension, d’un signal de nature ondulatoire :
- L’amplitude moyenne (la valeur moyenne arithmétique du signal positif)
- L’amplitude efficace (amplitude continue équivalente en puissance)
- L’amplitude crête (maximum positif)
- L’amplitude crête à crête (écart maximal entre l’amplitude positive et négative)
Dans la pratique, l’amplitude moyenne a peu d’intérêt et n’est pas utilisée. En revanche, la valeur efficace ou RMS (Root Mean Square) est universellement utilisée pour mesurer la valeur des tensions alternatives, à la fois dans un contexte général et en acoustique. Un amplificateur donné pour 10 watts RMS produira 14 watts en crête et 28 watts en crête à crête (cc). Les mesures de puissance crête à crête sont souvent appelées “watts musicaux” par les vendeurs de matériel audiovisuel, car les chiffres sont plus flatteurs.
Timbre
Le timbre détermine la “couleur” du son. Il est différent pour chaque type de source sonore et permet de distinguer, à l’oreille, deux sons qui auraient la même fréquence fondamentale et la même intensité. Par exemple, la même note jouée avec la même intensité mais avec une trompette ou un violon. Depuis le milieu du XXe siècle, l’acoustique musicale a fait de grands progrès dans l’étude de cette composante, grâce à l’amélioration des instruments d’analyse sonore.
Espace-temps
Comme tous les phénomènes perçus, le temps joue un rôle fondamental en acoustique (et encore plus en musique). Il existe même une relation étroite entre l’espace et le temps, car le son est une onde qui se propage dans l’espace au fil du temps.
On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques :
- Les signaux périodiques, dont la forme se répète de manière identique dans le temps.
- Les signaux aléatoires, qui n’ont pas de caractéristiques périodiques. Dans ce contexte, on se limite à un ensemble restreint de signaux ayant des caractéristiques statistiques stables dans le temps, appelés signaux aléatoires ergodiques. Les bruits “blanc” ou “rose”, utilisés par les scientifiques et certains artistes, en sont un exemple concret.
- Les signaux impulsionnels, qui ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.
Tous les signaux peuvent être définis et analysés indifféremment dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel. Dans le domaine fréquentiel, on utilise souvent le spectre du signal, calculé à partir de sa représentation fréquentielle (utilisant la transformation de Fourier). Le spectre d’un signal représente les différentes “notes” ou sons purs contenus dans un son, appelés partiels. Dans le cas d’un signal périodique stable comme une sirène, le spectre ne varie pas au fil du temps et présente une seule valeur appelée “raie”. Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison d’un ensemble de “sons purs” qui sont des sinusoïdes.
Enregistrement
La musique
La musique est l’art de combiner les sons en termes de rythme, de mélodie et/ou d’harmonie pour nous procurer des sensations particulières. En ce qui concerne la musique occidentale du moins, la notion essentielle (mais subjective) est celle de la consonance, intimement liée au phénomène harmonique. Cependant, depuis des siècles, musiciens et théoriciens se sont heurtés à l’impossibilité de définir une échelle musicale “idéale” (voir les problèmes abordés dans l’article sur les gammes et les tempéraments et les articles associés).
La comparaison entre les termes musicaux et leurs équivalents scientifiques (hauteur et fréquence, par exemple) montre les limites entre l’art et la science. L’acoustique musicale a tenté de franchir ces limites en montrant les relations qui peuvent exister entre la perception humaine de la musique et les phénomènes physiques qui y sont liés.
Le son et l’informatique
Depuis la découverte de la synthèse numérique des sons et l’avènement des ordinateurs personnels équipés de cartes son en standard, il est désormais possible pour tous d’enregistrer et de traiter les sons. De nombreux professionnels se tournent vers des solutions numériques, de moins en moins coûteuses, qui offrent, avec les progrès des capacités de calcul des ordinateurs, une multitude de possibilités. Les cartes son haut de gamme disposent de nombreuses entrées et sorties analogiques et numériques pour connecter des synthétiseurs et des tables de mixage. L’informatique musicale a ainsi évolué au même rythme que les capacités de calcul des ordinateurs.
L’acquisition
Pour le traitement numérique du son (traitement par ordinateur), il est nécessaire d’effectuer une conversion analogique-numérique, appelée acquisition sonore. Cette opération consiste à convertir les variations de pression sonore en une séquence de nombres pouvant être traités par les moyens informatiques. Cette transformation, appelée échantillonnage du signal, est réalisée par un microphone, qui convertit les variations de pression de l’air en signaux électriques. Ces signaux sont ensuite convertis en une suite de nombres par un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC). Cette transformation permet de numériser le signal à intervalles réguliers. Les cartes son des ordinateurs personnels sont désormais en charge de cette tâche.
