Le son est une onde générée par la vibration mécanique d’un support solide ou fluide et propagée à travers l’élasticité du milieu environnant sous forme d’ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la perception auditive qui résulte de ces vibrations.
L’acoustique est la discipline scientifique qui étudie les sons. La psychoacoustique combine l’acoustique, la physiologie et la psychologie pour comprendre comment le cerveau perçoit et interprète les sons.
La Propagation du Son
Dans un milieu compressible, généralement l’air, le son se propage en créant des variations de pression. Par exemple, un haut-parleur utilise ce mécanisme. Notons que seules les compressions se déplacent, pas les molécules d’air elles-mêmes. Lorsque nous observons des ondulations à la surface de l’eau, les vagues se déplacent, mais l’eau reste au même endroit. Elle se déplace uniquement verticalement sans suivre les vagues. Le son se propage également dans les solides sous forme de vibrations atomiques appelées phonons. Encore une fois, seule la vibration se propage, pas les atomes eux-mêmes 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’impact sur la vitesse du son. Dans un gaz parfait, la célérité est déterminée par la relation :
c = sqrt(γ * R * T / M)
où γ est le rapport des capacités thermiques à pression constante et à volume constant, R est la constante des gaz parfaits, T est la température en kelvins et M est la masse molaire du gaz.
Nous pouvons donc conclure que la célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d’inertie) et lorsque sa compressibilité augmente. En ce qui concerne l’atmosphère, il est important de prendre en compte la structure thermique de l’air ainsi que la direction du vent, car :
- Le son se propage moins bien horizontalement que sous des angles montants en raison des changements de densité (ce qui est pris en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l’antiquité).
- L’atténuation du son est nettement moins forte sous le vent, tant que le régime du vent au sol n’est pas trop turbulent.
- Le son peut être littéralement “porté” par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, après le refroidissement nocturne, il est possible d’entendre le bruit d’un train à 5 km de distance malgré les obstacles, car le son est contraint de se propager sous l’inversion qui agit comme un guide d’onde.
La vitesse du son dans l’air à 20 °C est d’environ 344 m/s, ce qui équivaut à environ un kilomètre toutes les trois secondes. Dans les milieux solides, le son peut se propager encore plus rapidement. Par exemple, dans l’eau, sa vitesse est de 1482 m/s, et dans l’acier, elle est de 5050 m/s. En revanche, le son ne se propage pas dans le vide, car il n’y a pas de matière pour supporter les ondes produites. Dans l’air, le son se propage grâce aux déplacements des molécules.
Fréquence et Hauteur
La fréquence d’un son est exprimée en Hertz (Hz) et est directement liée à la hauteur perçue du son. Un son de basse fréquence est perçu comme grave, tandis qu’un son de haute fréquence est perçu comme aigu.
Chaque être vivant doté d’une ouïe ne peut percevoir qu’une partie du spectre sonore. Par exemple, l’oreille humaine moyenne perçoit les sons dans une plage de fréquences d’environ 20 Hz (en dessous de cette fréquence, les sons sont appelés infrasons) à 20 kHz (au-dessus de cette fréquence, les sons sont appelés ultrasons). Les chats peuvent percevoir des fréquences jusqu’à 25 kHz, les chiens jusqu’à 35 kHz, et les chauves-souris et les dauphins jusqu’à 100 kHz.
Certains animaux utilisent leur capacité à entendre une large gamme de fréquences à des fins spécifiques. Par exemple, les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer sur de grandes distances, les dauphins communiquent grâce aux ultrasons, et les chauves-souris émettent des ultrasons (~80 kHz) pour se déplacer et chasser dans l’obscurité totale.
Amplitude et Intensité
L’amplitude est une autre caractéristique importante du son. L’intensité perçue dépend de l’amplitude, qui peut être forte ou douce (les musiciens utilisent les termes “forte” et “piano”). Dans l’air, l’amplitude correspond aux variations de pression de l’onde.
L’intensité acoustique est mesurée en décibels (dB) au lieu des pascals utilisés pour mesurer la pression dans d’autres domaines. Le décibel utilise une échelle logarithmique pour représenter le rapport entre l’intensité sonore mesurée et une intensité de référence. Cela permet d’avoir des chiffres plus maniables, qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits, et qui correspondent mieux à la perception auditive humaine.
Cependant, il est important de noter que le niveau sonore ne donne qu’une approximation de la sensation perçue, car la sensibilité de l’oreille varie en fonction de la fréquence du son. Par exemple, l’oreille est moins sensible aux basses fréquences. Une meilleure approximation du volume perçu est donnée en utilisant un décibel pondéré A (dBA), qui prend en compte la sensibilité de l’oreille à différentes fréquences.
Timbre
Le timbre détermine la “couleur” du son. Chaque source sonore a un timbre différent et permet de distinguer, à l’oreille, deux sons ayant la même fréquence fondamentale et la même intensité. Par exemple, la même note jouée au violon et à la trompette. L’acoustique musicale a fait d’importants progrès dans l’étude de cette composante, en utilisant des instruments d’analyse sonore perfectionnés.
Espace-Temps
Le temps joue un rôle fondamental dans l’acoustique, en particulier en musique. Il existe une relation étroite entre l’espace et le temps, car le son se propage dans l’espace au fil du temps.
On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques : périodiques, aléatoires et impulsionnels. Les signaux périodiques se répètent identiquement dans le temps, les signaux aléatoires n’ont pas de caractéristiques périodiques (ex : bruit blanc ou rose), et les signaux impulsionnels ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.
Tous les signaux peuvent être définis et analysés dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel. Le spectre d’un signal représente les différentes “notes” ou sons purs qu’il contient. Par exemple, dans le cas d’un signal périodique comme une sirène, le spectre est constant dans le temps et présente une seule valeur appelée “raie”.
Enregistrement et Musique
La musique consiste à combiner les sons en termes de rythme, mélodie et/ou harmonie pour susciter des sensations particulières. L’oreille perçoit la consonance, qui est intimement liée aux sons harmoniques, comme étant essentielle en musique. Cependant, depuis des siècles, les musiciens et les théoriciens ont eu du mal à définir une échelle musicale “idéale”.
Avec l’avènement de la synthèse numérique des sons et des ordinateurs personnels équipés de cartes son, il est désormais possible pour tout le monde d’enregistrer et de traiter les sons. Les professionnels se tournent de plus en plus vers des solutions numériques abordables offrant de nombreuses possibilités grâce à l’évolution des capacités informatiques. Les cartes son haut de gamme permettent de relier des synthétiseurs et des tables de mixage grâce à leurs nombreuses entrées et sorties analogiques et numériques. L’informatique musicale s’est développée en parallèle avec les capacités de calcul des ordinateurs.
L’Acquisition du Son
Pour le traitement numérique du son, il est nécessaire de convertir le signal analogique en signal numérique, c’est ce qu’on appelle l’acquisition du son. Cette opération consiste à transformer les variations de pression sonore en une suite de nombres qui peuvent être traités par un ordinateur. Un microphone convertit les variations de pression en signaux électriques, qui sont ensuite numérisés à intervalles réguliers par un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC en anglais). Ce processus est maintenant effectué par les cartes son des ordinateurs personnels.
