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1
1.1
Notions fondamentales.
Aspects objectifs et quantifiables des sons.
Voici une brève définition du mot « son » selon wikipedia :
« Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et
propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension
physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de
donner naissance. »
Le son est donc à la fois définit comme un phénomène physique et une sensation. Cette
ambivalence est la première d'une longue série de double-sens qu'expérimenterons ceux qui
souhaitent comprendre ce qu'est le son.
Afin d'éviter toute confusion, nous allons séparer l'étude des sons en deux domaines :
•
L'ensemble des connaissances et expériences scientifiques traitant de la nature du son
constituent la physique acoustique. Elle définit le son mécaniquement ; c'est une onde qui
se propage dans un milieu.
•
La sensation que cette vibration génère est aussi appelée « son ». Son étude relève entre
autre de la psychoacoustique et concerne les aspects subjectifs du son.
Bien sur la technique seule ne suffit certainement pas à engendrer la beauté. Les disciplines
citées plus haut ne sont pas non plus séparées par des frontières nettes. Dans le cadre de la régieson, le savoir-faire est à la fois technique et esthétique. La principale qualité du régisseur sera de
pouvoir établir le dialogue avec le technicien et avec l'artiste.
La physique acoustique permet d'utiliser un langage technique limité mais extrêmement précis.
Les sons sont considérés comme des phénomènes mécaniques, des vibrations, des mouvements que
l'on peut mesurer. Les aspects du son sont quantifiables, explicites. A la question : « L'arbre qui
tombe dans la forêt fait-il du bruit si personne n'est là pour l'entendre ?», l'acousticien répondra sans
doute : « Oui ! ».
1.2
Rappels de mécanique.
Tout d'abord revoyons quelques notions de mécanique classique :
Les unités fondamentales : Pouvoir décrire précisément un phénomène physique c'est d'abord
mesurer, comparer à un étalon, une série de grandeurs physiques fondamentales. Dans le système de
mesure international, les grandeurs fondamentales sont :
•
La longueur (L) ou la distance (d), mesurées en mètre (m).
•
Le temps (T), mesuré en seconde (s).
•
Chaque objet contient une certaine quantité de matière : c'est la masse (m). Elle est mesurée
en kilogramme (kg). Il ne faut pas la confondre avec le poids, qui en physique a une autre
signification.
Les unités dérivées : Elles sont calculées en fonction des grandeurs fondamentales mesurées.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 1.
•
Un objet peut être en mouvement ou immobile. La vitesse (v) d'un objet est la distance (d)
qu'il parcoure à chaque seconde. Elle est mesurée en mètre par seconde (m/s) et se calcule
comme ceci :
v =d /t
•
La vitesse d'un objet est constante lorsque l'objet décrit un mouvement rectiligne
uniforme. Il se déplace en ligne droite et sa vitesse ne change pas. Si on n'y touche pas,
l'objet continue son mouvement. C'est le principe d'inertie.
•
Si la vitesse d'un objet varie avec le temps, n'est pas constante, il subit alors une
accélération (a). Elle est mesurée en mètre par seconde par seconde m/s2. Elle se calcule
en faisant la différence de la vitesse finale et de la vitesse initiale, le tout divisé par le temps
pendant lequel l'accélération a eu lieu :
a=( v f −v i )/t
•
Comme la vitesse nous permet de déterminer la position d'un objet, on peut donc relier la
position de celui-ci avec son accélération par cette formule :
d=
•
(a .t ²)
+ vi . t
2
Pour accélérer un objet, il faut lui appliquer une force (F). Pour qu'une masse d'un
kilogramme effectue une accélération d'un mètre par seconde par seconde, on doit lui
appliquer une force d'un Newton (N). La force se calcule de manière suivante :
F=m.a
•
Le concept de force nous permet d'expliquer pourquoi les objets en chute libre tombent de
plus en plus vite, sous l'effet de l'accélération gravitationnelle, appelée aussi gravité (g), qui
vaut 10 m/s2. En physique, le poids d'un objet est la force générée par la gravité, toujours
mesuré en Newton.
G=m.g
•
Les vitesses, les accélérations, les forces et les poids sont des vecteurs, ils ont une grandeur,
mais aussi un point d'application (l'objet sur lequel ils s'exercent) et un sens (le sens dans
lequel ils tendent à déplacer l'objet).
Exemple :
On jette un piano du troisième étage :
•
La masse du piano est de 300kg.
•
La vitesse initiale du piano est nulle : vi=0m/s.
•
La hauteur à laquelle le piano est jeté est de 10m : d=10m.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 2.
•
L'accélération qui attire le piano vers le sol, c'est la gravité : g=10m/s2.
On peut déduire le poids du
piano :
G=m.g=300.10=3000N
On peut aussi calculer le temps
que prendra le piano pour toucher le
sol :
d=a. t ²/ 2+v i .t
10=10. t ² /2+0. t
t ²=2
Illustration 1: Poids et forces appliquées à un piano.
t=√ 2
t≃1,4
Le piano touchera donc le sol après 1,4 s de chute libre.
•
Une force modifie donc la vitesse d'une masse. Cela nécessite de l'énergie, appelée aussi
travail (W). Elle est calculée en multipliant la valeur de la force par la distance sur laquelle
la force est appliquée et son unité est le Joule (J).
W =F.d
•
La puissance (P) d'une force est la quantité d'énergie que cette force déploie à chaque
seconde. Son unité est le Watt (W).
P=
W
t
Revenons-en à notre exemple. Maintenant que le piano est au rez de chaussée, pour le remonter au
troisième étage, une grue devra appliquer une force égale au poids du piano.
•
G = 3000 N, donc F = 3000 N.
W =F . d
W =3000.10=30000
•
L'énergie nécessaire pour remonter le piano vaut donc 30000 J.
Si la grue effectue le travail en trois secondes, elle déploiera une puissance de 10000W.
P=
W
t
P=
30000
=10000
3
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 3.
•
Lorsqu'une force ne s'applique pas à un seul point de l'objet mais sur toute une surface de
celui-ci, on peut calculer la pression (p) qu'exerce la force sur l'objet. Son unité est le
Pascal (Pa) et elle se calcule en divisant la valeur de la force par la surface (S) (en mètre
carré) :
p=
1.3
F
S
Nature et propagation du son.
•
L'origine d'un son est un objet en mouvement : une source sonore.
•
Le son a besoin d'un support. Il évolue dans un milieu élastique (l'air, l'eau, certains solides
comme le bois p. ex.). Il n'existe pas dans le vide.
•
La source sonore exerce une déformation sur le milieu. Il se déforme mais aura tendance à
reprendre sa forme initiale, car il est élastique.
•
Les perturbation mécaniques générée dans le milieu sont appelées « ondes acoustiques ».
•
Les ondes se propagent avec une vitesse de propagation, ou célérité, qui dépend du milieu
qu'elles déforment.
1.3.1 Exemple 1 : Une conversation.
Une personne salue une autre personne dans la
rue. Sa voix est une source sonore. C'est un peu
d'air venant des poumons modulé par les cordes
vocales, qui va exercer temporairement une
pression, une contrainte sur le milieu élastique que
constitue l'air de la rue.
Il est important de bien appréhender le concept
de milieu élastique. L'air n'est pas vide. C'est un
gaz composé d'azote (78%) et d’oxygène (21%).
On peut voir à travers et le sens commun nous
indique à tort qu'il n'y a rien mais pourtant l'air
est un milieu élastique.
Les particules (atomes et molécules) qui
composent l'air sont un peu comme une énorme
quantité de minuscules boules de billard. Lorsque
la personne dans la rue pousse son cri, elle va
relâcher une petite quantité d'air, c'est à dire une
quantité de « boules de billard » bien faible en
comparaison de tout l'air qu'il y a dans la rue. Le
son arrivera pourtant bien aux oreilles de son
interlocuteur car le mouvement que le cri aura
généré va se répercuter, de particules en
particules. On a donc ici une vague de variations
de pression qui déforme le milieu. C'est l'onde
acoustique.
Illustration 2: L'air est un milieu élastique.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 4.
Celle-ci se propage dans l'air avec une célérité de 340 m/s (mètres par seconde). Ce ne sont pas
les particules d'air expirées par la personne qui présentent cette vitesse mais bien l'onde acoustique
que celle-ci génère. Si la personne fume une cigarette en parlant, la fumée reste autour d'elle tandis
que les ondes acoustiques arrivent aux oreilles de son interlocuteur à la célérité de 340 m/s.
1.3.2 Exemple 2 : Analogie avec les ondes de surface.
Illustration 3: Goutte d'encre dans de l'eau.
Une façon de se représenter les ondes
acoustiques est d'observer les ondes de surface
générées lorsque l'on jette un petit caillou dans
un seau d'eau. Le milieu élastique que l'on
considère ici, c'est l'eau. Lorsque le caillou (la
source sonore) frappe la surface du liquide, il
génère une pression qui la déforme. Les rides
concentriques qui suivent l'impact sont des
déformations temporaires qui correspondent aux
ondes de surface. Si on remplace le caillou par
une grosse goutte d'encre, on remarquera que
l'encre commencera à se diffuser dans l'eau, mais
bien après que les ondes de surface aient atteint
le bord du seau. Les ondes de surface
ressemblent beaucoup aux ondes sonores.
1.3.3 Exemple 3 : Transmission du son dans les milieux solides.
Un dernier exemple : votre voisin tape sur le mur mitoyen avec son marteau. Le mur constitue
un milieu élastique. Beaucoup moins élastique que l'air ou l'eau, car les liaisons entre les particules
qui le constitue sont fortes (imaginez une infinité de boules de billard maintenues avec de la colle).
Mais suffisamment pour que vous puissiez entendre les bruits d'impacts. Une partie de la pression
exercée par le marteau (la source sonore) sur le mur (le milieu élastique) sera absorbé par le mur (dû
à la « colle »), tandis qu'une autre générera des ondes qui se propageront à
travers le mur. La célérité de ces ondes est plus rapide que celle de l'air, Matériaux
c en m/s
car le milieu est plus dense (les boules de billard sont plus proches entre
Air
343
elles).
Voici quelques exemples de célérités du son selon le milieu de
propagation. Plus le milieu est dense et contient de la matière, plus la
célérité est importante.
Eau
1480
Glace
3200
Le mur du son a longtemps été une limite à la vitesse des avions. Après
avoir percé une couche d'air extrêmement condensée en causant un
« Bang !», l'avion se déplace plus vite que le son qu'il produit, c'est à dire
à une vitesse supérieure à 350 m/s.
Verre
5300
Acier
5600 à 5900
Plomb
1200
Si on retire les particules du milieu en faisant le vide, il n'y a plus de
son. L'expérience consistant à mettre un réveil sous une cloche à vide
illustre ce principe. Dès que tout l'air sous la cloche est aspiré, le réveil
qui sonne n’émet plus de son.
Titane
4950
PVC
2000
Béton
3100
3300
La lumière peut réagir elle aussi comme une onde, mais elle n'a pas Hêtre
besoin de particules pour se transmettre. C'est une déformation Granite
6200
électromagnétique. Elle se déplace beaucoup plus vite que le son, et ce
quel que soit le milieu. Sa célérité est de 300000 km/s, un million de fois Tableau 1: Célérité du
plus rapide que le son. Voilà pourquoi on observe un décalage, lors d'un son selon le milieu.
orage, entre l'éclair de lumière et le bruit de la foudre. On peut de cette
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 5.
façon estimer la distance à laquelle la foudre est tombée.
1.4
Description du mouvement d'une source sonore.
1.4.1 L'oscillateur libre.
T
d
A
Illustration 4: L'oscillateur libre.
Le son le plus simple à décrire mathématiquement est celui produit par un oscillateur. En
mécanique, c'est un système composé d'une masse suspendue à un plafond par un ressort. C'est une
liaison élastique. La masse présente une position d'équilibre. Lorsqu'on la déplace, on exerce sur
elle une force (force extérieure). Le ressort exerce alors sur la masse une force qui tend à remettre la
masse dans sa position d'équilibre (force de rappel). On assiste alors à une oscillation de la masse
autour de cette position, un peu comme le mouvement d'un pendule. Cette oscillation est
périodique : c'est le même mouvement qui se répète encore et encore. Si on porte en graphique la
position de la masse par rapport au temps, on voit se dessiner une sinusoïde.
•
La force de rappel (FR) que le ressort effectue sur la masse lorsqu'on la déplace est
proportionnelle au déplacement. Chaque liaison élastique présente une certaine raideur (K),
en Newton par mètre.
F R =K.d
•
L'amplitude (A) d'une oscillation est égale au déplacement (d) initial de la masse.
•
Le temps que prend le système pour effectuer une seule oscillation est appelé période (T),
en seconde. On peut calculer cette période qui ne dépend que de la masse et de la raideur du
ressort :
T =2 π .
•
√
m
K
Le nombre d'oscillation par seconde que le système effectue représente sa fréquence (f).
C'est l'inverse de la période. Elle est mesurée en Hertz (Hz) :
f=
1
T
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 6.
La masse qui oscille joue le rôle de source sonore. La surface de la masse va exercer une
pression sur l'air qui variera avec l'oscillation. Ces variations de pression vont se propager et sont
des ondes acoustiques, du son. Les fréquences avec lesquelles les sources sonores oscillent sont
couramment utilisées « sur le terrain » pour décrire les sons qu'elles produisent.
C'est le même type de mouvement que l'on peut observer lorsque les hauts-parleurs d'une sono
produisent un son. La « membrane » du haut-parleur est relié au châssis par une suspension
périphérique, c'est à dire une liaison élastique qui la maintient dans une position d'équilibre. Un
électroaimant va exercer une force magnétique sur la bobine du haut-parleur, le déplacer.
1.4.2 Oscillateur forcé.
L'oscillateur libre est un système idéal,
théorique, approximatif. Il possède sa
fréquence propre, qui ne dépend que de la
masse suspendue et de la raideur de la liaison
élastique.
Dans la réalité, le mouvement n'est pas
perpétuel. Il finit par s'estomper. L'énergie de
l'oscillateur est lentement perdue, dissipée par
des forces de frottement. On parle alors
d'oscillation amortie. Le mouvement qu'elle
décrit est une sinusoïde amortie, dont
l'amplitude diminue constamment. Mais la
période et la fréquence propre du système sont Illustration 5: Oscillateur amorti.
toujours calculable de la même façon que pour
un oscillateur libre.
On a donc besoin, pour entretenir le mouvement, de continuer à fournir de l'énergie. On fait subir
au système une oscillation forcée. Les forces d'entretien qu'on exerce amènent l'oscillateur à se
comporter différemment. Elles moduleront, modifieront l'amplitude et la fréquence de la source
sonore.
•
Si l'énergie du système est très vite dissipée : Dans ce cas, il faut beaucoup d'énergie
pour que l'oscillateur maintienne une amplitude constante, lorsque la fréquence de
l'oscillation forcée est inférieure ou égale à la fréquence propre du système. Il faut encore
plus d'énergie pour faire osciller le système plus vite que sa fréquence propre.
•
Si l'énergie du système est dissipée lentement : Il faut moins d'énergie pour entretenir le
mouvement, et le système aura tendance à utiliser l’énergie de l'oscillation forcée pour
imposer sa fréquence propre et augmenter l'amplitude de l'oscillation. C'est un
phénomène de résonance. La fréquence propre du système est alors aussi appelée
fréquence de résonance.
On peut illustrer un cas d'oscillation forcée avec pertes importantes d'énergie dans le cas d'un
haut-parleur de graves, aussi appelé woofer. Ce type de haut-parleur est spécialisé dans la
restitution d'ondes acoustiques de faible fréquence : les basses. Les forces d'entretien, amenée par
l'électroaimant, permettent de moduler l'amplitude et la fréquence de l'oscillation forcée avec
beaucoup de précision, mais cela demande plus d'énergie. Ces haut-parleurs ne sont pas efficaces
pour restituer des oscillations plus rapide que leur oscillation propre. Généralement on ne leur
demandera pas d'osciller à plus de 500 Hz car cela demande trop d'énergie.
Un autre exemple, d'oscillation forcée avec pertes réduites d'énergie, a pu être observé lors de la
chute du Tacoma Narrows Bridge. Le pont suspendu au dessus du détroit de Tacoma dans l'état de
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 7.
Washington subissait des forces extérieures : un vent de 65 km/h. Celui-ci a entraîné des oscillations
forcées proches de la fréquence propre du système (2 Hz). Le pont a alors commencé à se déformer
et osciller avec une amplitude croissante. Les contraintes de déformation l'ont remporté sur
l'élasticité du pont et il a fini par s'écrouler. De la même façon, lorsqu'une armée de soldats à pieds
doit franchir un pont, le colonel demande de rompre le pas.
Un autre exemple de résonance est observable lorsque on fait résonner un verre. Lorsqu'on tape
son doigt sur le verre, il se déforme et oscille avec une certaine fréquence (la fréquence propre du
système) et génère des ondes acoustiques. On peut entretenir cette oscillation avec des forces qu'on
génère en faisant tourner la pointe humide de son doigt sur le pourtour du verre. Même si le
mouvement du doigt ne fait pas le tour du verre parfaitement à la même fréquence, l'oscillation
forcée que le doigt provoque présentera la même fréquence que la fréquence propre (ou fréquence
de résonance) du système. On peut même faire le chemin inverse : exposer le verre à des ondes
acoustiques qui présentent la même fréquence que la fréquence de résonance. Le verre les absorbe
et se déforme comme sous l'action du doigt. La résonance va augmenter l'amplitude des oscillations.
Si celles-ci deviennent trop amples, le verre peut se briser. Les contraintes appliquées au système
sont trop importantes pour l'élasticité du verre.
1.4.3 Oscillation d'une corde.
Le système de l'oscillateur peut faire penser à une guitare : La masse qui se déplace est la table
d'harmonie du corps de la guitare. La corde, c'est le ressort. La raideur de la corde est déterminée
par la tension qu'on donne à la corde lorsqu'on l'accorde et peut être modulé lorsqu'on pose les
doigts sur le manche. Le déplacement est initié par le plectre qui exerce une force extérieure.
Illustration 6: Oscillation d'une corde.
Pourtant le son qui sort d'une guitare est plus complexe, il est composé de plusieurs fréquences.
Afin de comprendre le mouvement d'une corde, imaginons que celle-ci soit plus qu'un simple
ressort, mais une succession de ressorts et de masses.
On peut d'emblée distinguer deux grandes différences avec le modèle de l'oscillateur libre :
•
Les deux extrémités de la corde sont fixées.
•
Puisqu'il y a plusieurs masses, l'oscillation aura plusieurs modes.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 8.
Les deux extrémités de la corde sont fixées. Les points qui correspondent au sillet de la tête (en
vert) et au sillet du chevalet (en rouge) bougent peu par rapport à l'amplitude d'oscillation de la
corde. On considère qu'ils sont fixes. Ceci permet à la corde de vibrer d'une façon très spécifique :
en onde stationnaire. Si on pince la corde en son milieu, l'onde ne va pas se propager car les points
fixes sont immobiles, mais ceux-ci restituent l'énergie du mouvement presque totalement. L'onde
est réfléchie par le point fixe. La corde va finalement décrire un onde stationnaire qui ressemble
au mouvement qu'un enfant exerce sur une corde à sauter à ceci près que la corde ne se déplace que
de haut en bas, pas d'avant en arrière (elle reste sur un même plan). Les points de la corde qui
présentent toujours une amplitude nulle (ses extrémités) sont appelées « nœuds ». Le point qui
présente une amplitude maximale (le milieu de la corde) est appelé « ventre ».
De plus, le modèle de la corde est une succession de ressorts et de masses aux extrémités fixe.
Ces masses peuvent osciller de manière synchrone. Ont dit alors qu'elles sont en phase et la
fréquence de l'onde stationnaire est la même que la fréquence propre du système. C'est la fréquence
fondamentale. Si les masses n'oscillent pas en phase, l'onde stationnaire résultante ne présente pas
la même fréquence mais une fréquence harmonique. Ces fréquences sont des multiples de la
fréquence fondamentale. Par rapport à l'oscillateur libre, l'oscillation de la corde présente donc
plusieurs « fréquences propres ». Si on imagine qu'une corde est composée de sept masses reliées
par des ressorts, on aura sept fréquences d'oscillation possible, une fréquence fondamentale, et six
harmoniques.
Illustration 7: Modes vibratoires d'une corde.
La corde de guitare est composée d'une quantité énorme de minuscules masses et ressorts. Son
oscillation peut donc présenter énormément de mode. En pratique, le mouvement de cette corde est
un mélange d'une oscillation fondamentale et d'oscillations harmoniques de plus faibles amplitudes.
Les amplitudes des oscillations harmoniques les plus hautes sont très faibles et négligeables.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 9.
La fréquence fondamentale (f0) d'oscillation d'une corde, exprimée en Hertz (Hz) dépend :
•
De la masse linéique (μ) de celle-ci, c'est à dire de la masse pour chaque mètre de corde, en
kilogramme par mètre (kg/m).
•
De la force avec laquelle on tend la corde, la tension (τ) exprimée en Newtons (N). Cette
force agit en fait sur la raideur de chacun des petits ressorts.
•
De la longueur de la corde (L) en mètre (m).
f 0=
1 τ
2L μ
√
Voici la formule qui permet de relier ces trois facteurs à la fréquence fondamentale d'oscillation.
En observant les différents termes de la formule, on peut constater plusieurs choses :
•
Plus la corde est légère, plus la fréquence est élevée.
•
Plus la corde est tendue, plus la fréquence est élevée.
•
Plus la corde est courte, plus la fréquence est élevée.
Exemple :
Johnny a cassé une corde de sa guitare. Il la remplace par une corde en bronze. Cette corde d'un
mètre pèse 7,82 grammes. Il la place sur sa guitare. Entre les sillets, sa corde ne mesure plus que 65
cm. Pour l'accorder, il tourne les clefs jusqu'à établir une tension de 16 kg. Ah que Johnny se
rappelle alors son cours d'acoustique et calcule alors la fréquence fondamentale d'oscillation de la
corde de sa guitare.
•
Il calcule d'abord la masse linéique de sa corde, en divisant la masse de la corde par sa
longueur :
μ=M /l
−3
μ=7,82 .10 /1
μ=7,82 .10−3 kg /m
•
Ensuite il converti la tension de sa corde en Newton. Celle-ci équivaut au poids qu'exercerait
une masse de 16 kg :
τ=160 N
•
Finalement il applique la formule empirique :
f 0=
1 τ
2L μ
f 0=
1
160
2.0,65 7,82.10−3
f 0=
1
√ 20460
1,3
f 0=
1
. 143
1,3
√
√
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 10.
f 0=110 Hz
Ensuite, Johnny peut déterminer les fréquences harmoniques de sa nouvelle corde de guitare :
f 0=110 Hz
f 1=220 Hz
f 2=330 Hz
f 3=440 Hz
Et ainsi de suite... Johnny pourra alors sereinement gratter sa nouvelle corde, conscient du
contenu fréquentiel des vibrations de sa guitare.
1.4.4 Oscillations des plaques et des membranes.
La corde de la guitare seule n'est pas responsable du son que celle-ci transmet sur le milieu.
Celle-ci est reliée à une surface, appelée table d'harmonie. Cette surface est plus efficace que la
corde seule pour exercer une pression sur l'air et générer une onde acoustique.
Une table d'harmonies est donc un plaque qui vibre et se déforme. Celle-ci présente une certaine
rigidité. Les hauts-parleurs sont aussi des plaques. Lorsque la rigidité d'un plaque est faible, qu'elle
est facilement déformable, on parle alors de membrane. La peau d'un tambour est un exemple de
membrane. Les vibrations qu'elles décrivent se ressemble, mais l’élasticité d'une membrane permet
une plus grande amplitude d'oscillation.
Afin de comprendre les mouvements d'oscillation des
membranes et des plaques, imaginons un tambour. Sa membrane
pourrait être tissée à partir d'un très grand nombre de corde.
Chacune de ces cordes oscillera avec une onde stationnaire. La
membrane présente une masse surfacique et aura une fréquence
fondamentale de vibration, ainsi que des harmoniques. Celles-ci
sont plus complexes à décrire mathématiquement, mais très
simples à observer. Lorsqu'un verre est exposé à des ondes
acoustiques de fréquences proches de celles de sa fréquence de
résonance, il se déforme. De la même façon la membrane d'un
tambour exposée à des ondes sonores de fréquences proches à la
résonance se déformera. Ces déformations résultent d'ondes
stationnaires. Elles présentent des successions de ventres
d'amplitudes maximales, et de nœuds d'amplitude constamment
nulle qui forment des lignes nodales. Si on saupoudre cette
membrane de grains de semoule ou de sable, par exemple,
lorsque la membrane vibre et se déforme, les grains on tendance
à se déposer là où la membrane ne bouge pas. Cela nous permet
Illustration 8: Modes
de mettre en évidence les lignes nodales. Les figures que les
vibratoires d'une membrane.
lignes nodales formes sur la membrane sont appelées des
formations cymatiques ou figures de Chladni.
1.4.5 Caisson de résonance, ondes de pression dans un tuyau.
Le son de la guitare est donc produit par une onde stationnaire dans un corde, qui transmet une
partie de son oscillation et génère une onde stationnaire dans une plaque (la table d'harmonie).
Celle-ci transmet des ondes acoustiques à l'air avec lequel elle fait surface. Une dernière
composante au son de la guitare est l'onde acoustique générée par la table d'harmonie à l'intérieur
même de la guitare, dans la caisse de résonance formée par le corps de la guitare. Cette caisse de
résonance permet de multiplier les surfaces vibrantes : tout le corps de la guitare émettra des ondes
acoustiques. De plus le trou pratiqué dans la caisse, appelé rosace, émettra des ondes acoustiques
spécifiques, plus amples, qui favorisera la propagation du son devant la guitare. La forme du
caisson, sa profondeur, favoriseront la résonance de certaines fréquences.
On peut parler ici d'ondes acoustiques, puisque ce ne sont plus des déformations mécaniques
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 11.
dans des cordes, des plaques ou des membranes, mais des déformations de pression dans de l'air
(rappelez-vous les minuscules boules de billard). Comme elles sont « enfermées » dans un caisson,
on parle d'onde acoustique stationnaire.
Une façon de mettre en évidence les ondes acoustiques stationnaires est de fabriquer un tube de
Kundt. Un cylindre va délimiter une colonne d'air. L'une de ses extrémités sera exposée à une
source sonore qui émettra des ondes acoustiques. On introduira dans le tube des petits morceaux
légers de polystyrène, qui se répartiront dans le tube selon les variations de pression.
Illustration 9: 3ème mode vibratoire d'une colonne d'air
dans un tube.
C'est le même type d'ondes acoustiques émises par les instruments à vent. Une flute par exemple,
est un tube de Kundt. La longueur du tube est modulée par les doigts qui comblent les trous. Cette
longueur détermine la fréquence de résonance de la colonne d'air emprisonnée dans la flûte. On
peut déterminer une approximation de la fréquence de résonance fondamentale d'une colonne d'air
d'une certaine hauter en appliquant cette formule empirique :
f 0=
•
c
2L
C'est la célérité du son dans l'air (c) en mètre par seconde (m/s) divisée par deux fois la
longueur de la colonne d'air (L) en mètre (m).
La plupart des sources sonores sont un assemblage de cordes, membranes, caissons et tuyeaux.
Les vibrations qui les animent génèrent des sons complexes contenant de multiples fréquences. Les
ondes acoustiques seront parfois propagées de manière directionnelle :
•
Comme décrit précédemment, la guitare est une corde, une membrane et un caisson de
résonance.
•
Les haut-parleurs sont des plaques vibrantes encastrée dans des caissons de résonance.
•
La voix humaine est une source de pression (les poumons) qui mettent en mouvement les
cordes vocales (des membranes) dont les rigidités et les tensions sont modulée par les
muscles du larynx. L'ensemble de l'appareil respiratoire est un tuyau dont la longueur et
l'ouverture peut être aussi modulée par la bouche.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 12.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 13.
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.
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.
peff =
1
p12+ p 22+ p32+ ...+ p2n
√
n
Illustration 11: Pression acoustique efficace.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 14.
La pression acoustique efficace est donc inférieure à l'amplitude, mais elle est plus pratique à
utiliser car c'est une moyenne. La p eff 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
2
I=
peff
ρ0 . c
Illustration 12: Onde stationnaire.
nécessite de pouvoir mesurer la vitesse des particules d'air.
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 %.
P=I.S
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 15.
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 10 12 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 (p ref). 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).
N p=20 log 10 (
peff
)
p ref
•
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 dB SPL. A
l'inverse, si on double cette distance, la pression efficace sera réduite de moitié. On réduira son
niveau de 3 dBSPL.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 16.
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)
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
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
63.2 Pa
130 dB
~4000 Pa
~165 dB
6,000–20,000 Pa
170–180 dB
>101,325 Pa
>194 dB
Seuil d'audibilité
Bruit d'une autoroute à 10 m
Seuil de douleur
Lance-roquette
Grenade anti-émeute
Onde de choc d'un avion
supersonique
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 17.
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 Illustration 13: Atténuation géométrique.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 18.
2.2
La fréquence.
2.2.1 Fréquence, longueur d'onde et période.
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.
Illustration 14: Onde acoustique et longueur d'onde.
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.
λ=
c
f
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.
T=λ
c
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.
c 1
f= =
λ T
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 19.
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.
•
f =20 Hz
λ=
c
f
λ=
c
=340/20=17 m
f
•
Un haut-parleur oscille dans l'air à une fréquence de 20000 Hz (20 kHz, kilohertz).
f =20 kHz
λ=
c
f
λ=
c
=340/20000=0,017 m=17 mm
f
2.2.2 Hauteur du son.
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, 10 3
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).
Anglais
Français
C
Do (Ut)
C sharp / D flat
Do dièse / Ré bémol
D
Ré
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 20.
A♯1 / B♭1
B1
C2
C♯2 / D♭2
D2
D♯2 / E♭2
E2
F2
F♯2 / G♭2
G2
G♯2 / A♭2
A♯0 / B♭0
B0
C1
C♯1 / D♭1
D1
D♯1 / E♭1
E1
F1
F♯1 / G♭1
G1
G♯1 / A♭1
A0 / La 0 / 27,5 Hz
A1 / La 1 / 55 Hz
A2 / La 2 / 110 Hz
Illustration 15: Premiers octaves d'un piano.
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 :
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 21.
La fréquence augmente de note en note en se multipliant par 2 1/12. La fréquence de la nième touche
du piano sera donc obtenue par :
f n=2
n−1
12
. f A0
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 22.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 23.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 24.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 25.
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 :
•
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 20: Deux sources sonores et leurs phases.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 26.
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.
Illustration 21: Ondes de surface et interférences.
Ces interférences ressemblent à celles générées pour des ondes acoustiques par deux hautsparleurs 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.
f =220 Hz
λ=
c
f
λ=
c
=340/220=1,5 m
f
•
La distance qui les sépare est de 7,5m.
d =7,5 m
d 7,5
=
=5
λ 1,5
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.
d =8,25 m
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 27.
d 8,25
=
=5,5
λ 1,5
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.
T=
1
f
T=
1
=0,0045 s=4,5. 10−3 s=4,5 ms (milliseconde)
220
Le délai (t) entre les sons émis est de 9 ms.
t=0,009 s
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.
t=0,01125 s
t 0,01125
=
=2,5
T
9
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 28.
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.
π/2 ; 90° ; 1/4
sin 90°
1
0
2π ; 360° ; 1
1
sin 210°
0
sin 360° = 0
3π/2 ; 270° ; 3/4
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 29.
tous les systèmes son, qui, depuis l'invention de la stéréo, comprennent au moins deux hautparleurs.
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.
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.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 30.
Les deux baffles sont espacés de 17 cm par exemple. Calculons la fréquence d'un son ayant une
longueur d'onde de 17 cm :
λ=
c
f
c
λ
340
f=
=2000 Hz ou 2 kHz
0,17
f=
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.
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. Illustration 24: Micros overhead placés à équidistance de la caisse
Lorsqu'on sonorise une batterie par claire.
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 31.
généralement placés à la même distance que la caisse claire pour minimiser les interférences de
phase sur celle-ci.
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 Illustration 25: Sigle
alors une énorme partie du son de la caisse claire.
du bouton
On peut remédier à cela en utilisant un bouton d'inversion de phase. d'inversion de
Les sons captés par les micros sont transformés en signaux électriques. phase.
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 32.
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 :
•
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 Illustration 26: Goniomètre sur un
du déphasage plus 90°. Plus le segment dévie de signal stéréo.
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 33.
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 hautparleur 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.
d
≫1
λ
•
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.
d
≤1
λ
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 34.
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 35.
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 caisseclaire, 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).
N dyn =N max −N min
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
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 36.
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.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 37.
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.
Instruments
Famille
Type d'oscillation(s)
Envelope
Tambours
Xylophone
Percussions
Cymbales
Libres
Piano
Guitare
Instruments à cordes
Violon
Flûtes
Clarinette
Forcées
Instruments à vent
Cuivres
Voix
Guitare
électrique
Synthétiseurs
Instruments
électromécaniques /
virtuels
Forcées / Imitation
d'oscillations libres
Envelope déterminée par le musicien /
mixeur
Ordinateurs
Tableau 5: Familles d'nstruments, type d'oscillation et envelope.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 38.
2.4.3 Spectrogramme, sonogramme.
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.
Illustration 28: Spectrogrammes et formes d'onde de quelques sources sonores.
Physique acoustique – Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores. - Page 39.
3
Notions d'acoustique architecturale.
Une onde sonore émise dans un champ libre, cela relève presque de la théorie pure. Les sources
sonores sont posée sur une surface, un sol. Elles émettent sur une scène, dans un studio, une salle
dont les parois sont autant d'obstacles à leur propagation. Certains matériaux rigides ou lisses, les
réfléchissent, d'autres, souples ou poreux, les absorbent. Elles émettent dans un champ restreint.
L'acoustique architecturale est l'étude de l'interaction entre les sons et les champs restreints
dans lesquels ils sont émis.
La longueur d'onde est sans doute la caractéristique principale qui permet de comprendre et
d'anticiper les comportements des sons lorsqu'ils rencontrent un obstacle. Comme on l'a vu
précédemment, un son simple d'une fréquence égale à 20 Hz présente une longueur d'onde de 17 m.
Pour une fréquence de 20 kHz, la longueur d'onde sera égale à 17 mm. Il n'est pas rare de
rencontrer sur le terrain des obstacles comme un mur d'une dizaine de mètre ou un échafaudage
constitués de barre de quelques centimètres d'épaisseur. Le rapport de la longueur d'onde à la
dimension de l'obstacle est utilisé en acoustique architecturale. Ce rapport peut être plus grand ou
égal à un comme c'est le cas pour des obstacles de dimensions moyennes, de l'ordre du mètre, face à
des ondes de basses fréquences (de l'ordre de la dizaine de mètre). Ce rapport peut être très petit,
comme quand des ondes de hautes fréquences (de l'ordre d'une dizaine de centimètres) rencontrent
un mur de quelques mètres.
3.1
Acoustique géométrique.
Une façon d'aborder les problèmes d'acoustique architecturale est de faire une analogie entre les
ondes acoustiques et les rayons lumineux. La source sonore, comme une source de lumière,
irradie selon sa directivité des « rayons acoustiques » dans un champ restreint. C'est la base de
l'acoustique géométrique.
3.1.1 La réflexion et la diffraction du son.
Le son peut rebondir sur un obstacle, quand sa longueur d'onde est très petite par rapport aux
dimensions de l'obstacle.
d
≫1
λ
Considérons un son pur d'une fréquence de 20 kHz
émis par une source sonore avec une directivité
conique. Il se propage dans un champ restreint qui
comprend une plaque carrée lisse et rigide de 1,7 m
érigé en travers de la propagation du son. La longueur
d'onde du son est de 17 mm. Le rapport de la
longueur du mur à la longueur d'onde est de 100,
beaucoup plus grand que un. Cela entraîne la
réflexion du son. L'onde acoustique va rebondir sur le
mur comme autant de rayon lumineux sur la surface
d'un miroir. Une grande partie de l'énergie de l'onde
acoustique est restituée par le mur. Si on se place
derrière l'obstacle, on se retrouve dans une zone
d'ombre acoustique : le son réfléchi ne nous parvient
plus.
Illustration 29: Réflexion d'un son sur une paroi.
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 40.
Sur le dessus et les cotés de la plaque, le pourtour de l'obstacle, une petite partie des ondes
acoustiques sera déviée par diffraction. Pour l'auditeur derrière la plaque, le son atténué semblera
venir des bords de celle-ci. L'extrémité de la plaque est devenu en quelque sorte une source sonore
en relais qui diffusera la petite partie du son ayant rencontré les bords de l'obstacle. C'est un peu le
même phénomène qui se passe quand on observe les vagues près de l'embouchure d'un port. Elles
se brisent sur la jetée et arrivent au port avec la même orientation et courbure que si elles étaient
produites par les angles de la jetée.
Illustration 30: difraction du son sur le pourtour d'un obstacle.
A l'inverse, considérons maintenant un son pur de basse fréquence, de 20 Hz. Sa longueur d'onde
est de 17 m. On s'oppose à sa propagation en utilisant comme obstacle une petite pièce métallique
de 17 cm.
d
≪1
λ
L'onde de basse fréquence traversera littéralement l'obstacle. Sa présence est négligeable, à la
manière d'une jetée construite en pilotis avec quelques planches de bois, qui laisse passer les
vagues.
3.1.2 Effet de filtre passe-bas :
Considérons maintenant comme source sonore un haut-parleur qui émet du bruit blanc. C'est un
son complexe qui contient un très grand nombre de fréquence ayant toutes la même amplitude. Son
spectre dessine un trait horizontal continu. Si le haut-parleur émet dans un champ restreint avec un
obstacle constitué d'une plaque de 17 cm de coté, que se passe-t-il pour l'auditeur qui perçoit le son
derrière la plaque ?
Une longueur d'onde de 17 cm correspond à un son d'une fréquence de 2 kHz. Si on place un
micro et un spectrographe derrière l'obstacle, on analyse le spectre du bruit blanc modifié par
l'obstacle. Son tracé présente maintenant deux parties. C'est une sigmoïde descendante, un
« toboggan ». Toutes les fréquences en dessous de 2 kHz présentent la même amplitude. Elles ont
ignoré l'obstacle. Toutes celles supérieures à 2 kHz présentent une amplitude beaucoup plus
faible. Seule une petite partie de ces fréquences arrivent encore par diffraction jusqu'au micro, le
reste aura été réfléchi. C'est un filtre passe-bas naturel, comme le filtre en peigne, qui atténue les
hautes fréquences et laisse passer les basses fréquences. On appelle ce type de filtre des filtres
passe-bas, mais aussi encore des filtres coupe-haut (ou low-pass filter, LPF, high-cut filter).
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 41.
3.1.3 Diffusion du son.
Les obstacles parfaitement lisses agissent avec le son comme des miroirs avec la lumière. Mais
peu d'obstacles sont parfaitement lisse. Un mur de plâtre examiné à la loupe présentera des
rugosités, des imperfections, des pores. S'il était parfaitement plat, il réfléchirait la lumière comme
un miroir, mais sa porosité entraîne des réflexions et des diffractions dans tous les sens, qui ne sont
pas symétrique à la surface. De la même manière, une plaque de métal lisse et chromée ne réfléchira
plus la lumière de la même façon après un brossage
abrasif. Ce type de surface diffuse la lumière.
Certaines surfaces vont aussi diffuser le son, selon la
taille de leurs pores et en rapport avec la longueur
d'onde envisagée.
Considérons un obstacle diffuseur. Sa surface
présente une certaine géométrie : elle est forée,
poreuse, comme un gruyère. Des trous de 17 cm de
large et de profondeur sont espacés entre eux d'une
distance de 17 cm.
•
Si on considère un son d'une fréquence basse
de 20 Hz, la longueur d'onde de ce son est de
17 m. C'est cent fois plus grand que pour une
fréquence de 2 kHz. Le son se réfléchira sur le
diffuseur de façon symétrique, sans diffusion,
en ignorant totalement les obstacles constitués
par les pores et les coins, comme s'il ne
s'agissait que d'une surface lisse.
•
Un son d'une fréquence de 2 kHz équivaut à
une longueur d'onde de 17 cm. On peut donc
imaginer l'onde acoustique comme une série de
rayons. Le son va se diffuser sur la surface à la
Illustration 31: Diffusion du son sur un obstacle.
manière d'un son diffracté par le coin d'un
obstacle. Chaque coin de pore du diffuseur
relaiera le son comme une deuxième source sonore dans toutes les directions. Pour cette
fréquence, la diffusion sera maximale.
•
Si on considère un son d'une fréquence haute, de 20 kHz, sa longueur d'onde est de 17 mm.
C'est 10 fois plus petit qu'un son de 2 kHz. Le son se réfléchira de façon symétrique à
chaque surfaces que constituent chaque pore du diffuseur. Une infime partie du son est
diffracté par les coins, mais le reste du son est réfléchi d'une façon symétrique qui dépend de
la forme des trous.
Sur le terrain on utilisera des diffuseurs afin de corriger l'acoustique d'une salle. Leur placement
et le calibre et la disposition de leurs pores ou sillons permettra d'éviter les réflexions, échos, ou
l'établissement d'ondes stationnaires et de résonances, pour des sons se rapprochant de certaines
fréquences. Le son est diffusé, il garde la même intensité acoustique mais sa directivité est répartie.
3.1.4 Absorption du son.
A la manière d'un oscillateur libre décrivant un mouvement perpétuel, réflexion, diffraction et
diffusion parfaite du son sont des phénomènes théoriques. Il y aura toujours perte d'énergie, sous
forme de chaleur, de déformations.
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 42.
On peut mesurer les pressions acoustiques d'un son et de sa réflexion sur une surface lisse. Le
rapport de la pression réfléchie (pr, en pascal, Pa) sur la pression initiale (pi, toujours en Pa) est
appelé facteur de réflexion (R, sans unité). En pratique, il sera toujours compris entre 0 et 1 (entre
« totalement absorbé » et « totalement réfléchi »).
R=
pr
pi
Le flux d'énergie que contient une onde acoustique, son intensité acoustique, est proportionnelle
au carré de sa pression acoustique. On peut calculer le coefficient de réflexion acoustique (β)
d'une paroi qui fait obstacle réfléchissant le son. C'est la rapport de l'intensité acoustique du son
réfléchit à celle du son initial. En pratique, il sera lui aussi toujours compris entre 0 et 1, sans unité,
et permettra de se faire une idée de la façon dont la paroi restitue l'énergie de l'onde acoustique. On
peut directement le calculer par mesure des pressions acoustiques.
β=R²
Le coefficient d'absorbance (α) est, à l'inverse, le rapport de l'intensité acoustique de l'onde
réfléchie sur celle de l'onde initiale. Il renseigne sur la façon dont la paroi absorbe l'énergie du son.
Il est sans unité, compris entre 0 et 1 et est aussi calculable avec des mesures de pression
acoustique.
α=1−R²
Ces coefficients permettront de déterminer quelle fraction de l'énergie d'un son qui rencontre une
paroi est réfléchie ou absorbée. L'énergie ne disparaît pas ; rien ne se perd, rien ne se crée. La
somme du coefficient de réflexion et du coefficient d'absorption est donc égale à un (α + β = 1).
•
Si α = 0 ; β = 1 : L'énergie acoustique est totalement réfléchie. Dans une pièce théorique
avec des parois de ce type, on aurait pas d'atténuation acoustique et le son se maintiendrais
avec des échos infinis.
•
Si α = 1 ; β = 0 : L'énergie acoustique est totalement absorbée. Dans la réalité, on s'approche
de ce cas de figure lorsqu'un son rencontre une paroi constitué d'une épaisse couche de laine
de roche.
L'absorbance acoustique des matériaux varie. Lors de la construction d'un espace acoustique, on
utilisera et placera des matériaux très absorbants afin de garantir l'isolation acoustique du lieu. Les
murs seront rembourrés de laine de roche, le plafond et le plancher seront désolidarisé de la
structure en béton ou de la charpente en bois du bâtiment avec des joints de caoutchouc. La pièce
sera isolée par un cocon de matériaux absorbants qui dissipe très vite l'énergie des ondes
acoustiques en chaleur.
3.1.5 Réflexions des ondes de basse fréquence.
Les ondes de basse fréquence ont le plus souvent tendance à se réfléchir à la géométrie de la
salle. Certains panneaux de type « bass trap » constitués par exemple d'une couche épaisse de plus
de 10 cm de laine de roche permet d'absorber les basses fréquences de façon efficace. Leur
diffusion demanderait des panneaux présentant des aspérités grandes de plusieurs mètres. Lors du
placement de baffles on considère donc que les haut-parleurs émettent des fréquences basses dans
toutes les directions, qui seront principalement réfléchie par les obstacle.
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 43.
Pratiquement, placer un haut-parleur le dos au mur équivaut à doubler sa puissance acoustique
pour les fréquences graves. Le mur constitue un champ de diffusion restreint : la majorité des
ondes de basse fréquence se réfléchit sur celui-ci. Le baffle est dos au murs, les réflexions
présentent donc un déphasage négligeable par rapport aux ondes émises sur le devant du hautparleur. L'intensité acoustique se répartit en demi-sphères, sur deux fois moins de surface que
pour un champs libre. On notera une augmentation d'à peu près 3dB. Cette augmentation peut être
encore plus importante lorsque le haut-parleur est placé dans un coin. Le régisseur averti pourra
utiliser la réflexion des basses à son avantage pour augmenter la capacité de restitution d'un système
son dans les fréquences graves, ou lutter contre celles-ci en installant des bass-traps.
Les réflexions des basses fréquences et la cohésion de leur phase avec les ondes émises en
champ direct permettent à certains baffles d'avoir un meilleur rendement dans les graves. C'est le
système du bass reflex. La paroi du fond du caisson dans lequel l'haut-parleur est installé réfléchit
les basses, qui ressortent par un trou pratiqué sur la face du caisson
3.1.6 Focalisations.
Un traitement acoustique est bien souvent nécessaire lorsque la salle de spectacle a une forme
présentant des surfaces convexes. Ce type de paroi réfléchit le son à la manière d'un miroir
déformant qui courbe les distances perçues dans le reflet. Les ondes sonores sont focalisées,
concentrées par la surface, et les réflexions provenant de la paroi peuvent selon la position de la
source être perçues de manière plus forte que les ondes émises directement par la source. Le son
semble alors presque provenir de derrière la paroi, alors que la source sonore est directement en
face de l'auditeur. Ce type de réflexion et de focalisation du son était utilisé autrefois dans les
amphithéâtres de l'antiquité. Celà permettait d'enrichir le son des sources placées sur la scène,
les réflexions agissant comme amplificateur naturel. Il est cependant difficile pour un spectateur de
localiser à l'oreille une autre personne l’interpellant du gradin voisin, les réflexions focalisées lui
donnent l'illusion que son interlocuteur vient d'un autre endroit.
3.2
Acoustique ondulatoire.
Si l'acoustique géométrique permet de modéliser simplement les réflexions, diffractions ou
absorptions que la géométrie d'un champ restreint entraîne sur la diffusion des ondes acoustiques,
elle ne permet pourtant pas d'expliquer les résonances observées dans un lieu lors de
l'établissement d'ondes stationnaires. En complément d'une analyse géométrique, on utilisera alors
l'acoustique ondulatoire pour expliquer ces phénomènes.
3.2.1 Onde stationnaire entre deux parois.
Une onde stationnaire s'établit suite aux interférences entre deux ondes de même fréquence
mais de directions opposées. En acoustique, ce cas de figure apparaît dans de nombreux cas. Dans
chaque caisson de résonance, tube ou corde d'instruments, apparaissent des ondes stationnaires dont
les longueurs d'onde correspondent aux dimensions de la colonne d'air, de la corde, plaque ou
membrane qu'elles agitent.
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 44.
Imaginons une pièce parallélépipédique constitués de murs rigides réfléchissant les sons. On
place une source sonore au milieu d'un des murs. Celle-ci émet une onde acoustique de basse
fréquence qui se déploie en demi-sphère. L'onde traverse la pièce et le front d'onde rencontre le
mur du fond qui réfléchit la quasi-totalité de celle-ci. Le mur du fond joue alors le rôle d'un miroir
sonore, comme si une deuxième source était placée symétriquement à la première par rapport au
mur. L'onde réfléchie se superposera à l'onde qui continue à être émise avec un déphasage spatial
dépendant du double de la longueur de la pièce (la pièce et son « reflet acoustique »). Si cette
distance est égale à la longueur d'onde du son pur émis, les ondes émises et réfléchies sont en
phase. Elles s'additionnent et l'onde stationnaire qui en résulte présente une amplitude plus grande
que l'onde émise. En pratique, on constate une augmentation du niveau de pression acoustique
de 3 dB à la fréquence de résonance. Toute la pièce résonne avec une fréquence propre, comme un
gigantesque tube de Kundt.
Illustration 32: Réflexion au mur qui agit comme miroir
acoustique, avant l'établissement d'une onde stationnaire.
Si la source sonore diffuse du bruit blanc, un son complexe qui contient un très grand nombre
de fréquences, le son émis et les réflexions se mélangeront en présentant un effet de filtrage en
peigne. La première bande de fréquence entre deux creux générée par ce filtrage se retrouvera
autour de la fréquence propre de la salle, dont la longueur d'onde est égale au double de la distance
entre les deux parois. A la manière d'un oscillateur amorti qui conserve l'énergie, la pièce agit
comme un oscillateur acoustique et favorisera par résonance l'établissement d'ondes stationnaires de
fréquence égale à sa fréquence propre.
3.2.2 Résonance et modes propres d'une pièce.
Chaque couple de murs réfléchissants dans cette pièce parallélépipédique favorisera
l'établissement d'une onde stationnaire. On peut donc déjà estimer trois fréquences de résonance,
trois modes propres de résonance, pour une pièce parallélépipédique, qui correspondront aux
ondes stationnaires établies dans sa longueur (l), sa largeur (L) et de sa hauteur (h). Ces fréquences
(en Hertz) sont calculables, de la même façon qu'une fréquence fondamentale de résonance pour
une colonne d'air ou une corde d'une certaine longueur, en divisant la célérité du son (c, en moyenne
340 m/s, mètre par seconde) par le double du coté considéré.
A partir de ces trois fréquences propres, on pourra déterminer à quelles fréquences harmoniques
on aura aussi des résonances dans la salle. On pourra aussi considérer les réflexions générées par les
coins de la pièce entre eux et trouver de la même façon que Pythagore calculait l’hypoténuse chaque
partiels pour lesquelles une résonance de la pièce s'établit. L'acousticien utilisera des programmes
basés sur la formule de Rayleigh, qui permet de calculer d'un coup les principaux modes propres
de résonance d'une pièce. Voici à titre d'exemple l’adresse HTML d'un programme graphique gratuit
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 45.
permettant de calculer ces fréquences : http://www.realtraps.com/modecalc.htm
c
2l
c
f 0 (L)=
2L
c
f 0 (h)=
2h
f 0 (l )=
Voici la formule de Rayleigh, fonction matricielle à trois variables (m, n et p, nombres entiers
naturels) avec c la célérité du son et l, L et h les dimensions de la pièce. On retrouve les trois
formules des fréquences fondamentales données plus haut pour f(1,0,0), f(0,1,0) et f(0,0,1).
f (m ,n , p)=
√
c m² n² p²
+ +
2 l² L² h²
Dans une salle, selon ses dimensions, les notes d'un instruments créeront des résonances qui
peuvent nuire à l'écoute, la propagation d'un son présentera des interférences. Pour des salles
cubiques ou présentant deux dimensions égales, il y a coïncidence : La résonance est d'autant plus
importante. Le régisseur peut avec un budget relativement réduit corriger l'acoustique d'une
salle. Les murs responsables des réflexions et des résonances sont tapissés d'absorbants ou de
diffuseurs calibrés pour la diffraction aux fréquences de résonances qui posent problème.
3.3
Echos.
Lorsque les dimensions d'une pièce sont suffisamment importante ou qu'une paroi réfléchissant
le son est placée assez loin de la source sonore, il peut y avoir écho. Celui-ci est perçu lorsque le
retard entre le son direct et le son réfléchi est important, et surtout lorsque le son émis présente
une attaque et un déclin marqué dans son enveloppe temporelle. Cela permet d'entendre
distinctement le son direct et le son réfléchi. Quand ce délai est par exemple de 150 ms
(millisecondes), on perçoit un écho et cela correspond à un différence de distance de plus de 50 m
(mètre). Le son réfléchit aura donc parcouru un aller retour sur une paroi située à 25 m de la source.
Certains lieux sont réputés pour présenter une architecture ou une géométrie qui permet d'entendre
des échos.
3.3.1 Echo lointain, échos multiples, échos tournants.
Les flancs d'une montagne ou les parois d'un canyon sont suffisamment dures, lisses et éloignées
pour qu'une source sonore leur faisant face génère un écho nettement perceptible. Le temps de
retard ou délai entre le son direct et le son réfléchit peut même permettre d'estimer les distances
entre la source et la paroi. Les réflexions sont d'autant plus perceptibles car les parois sont
convexes. Le son est focalisé par la paroi.
Lorsque de grandes salles présentent plusieurs parois réfléchissantes, les réverbérations
génèrent plusieurs échos rapprochés semblant venir de différents points « derrières les murs ». On
parle d'échos tournants, un peu comme un « palais des glaces » ou « labyrinthe des miroirs »
sonore. C'est un défaut acoustique qui nécessite un traitement.
3.3.2 Echos « flutter ».
Plus les parois réfléchissantes sont proches de la source, plus le délai entre les échos multiples
est court. Lorsque cet intervalle de temps est égal à 50 ms, cela signifie que la réflexion du son
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 46.
formant l'écho aura parcouru 17 m. C'est le cas dans une salle comprenant deux parois
réfléchissante distantes de 8,5 m (17 m divisé par deux). Une personne claquant des mains au bout
de cette salle entendra le son direct et, 50 ms plus tard, sa réflexion qui aura fait l’aller-retour dans
la pièce. Puisque les murs réfléchissent les sons, la première réflexion elle même sera réfléchie par
les murs de la pièce et générera un deuxième écho, 50 ms plus tard. On entendra donc à cet endroit
là de la pièce des échos toutes les 50 ms, à raison de 20 échos par seconde. La fréquence de ces
échos est donc de 20 Hz. Si on se place dans une salle avec des parois encore plus proches, la
fréquence des échos est supérieure à 20 Hz et les réflexions finissent par générer de par leur
périodicité un son complexe pour lequel on percevra une certaine hauteur. Lorsque l'on marche
dans un tunnel étroit, les parois sont réfléchissantes et convexes. Les sons d'impulsion générés par
nos pas sont focalisés et réfléchis, les échos qui parviennent à nos oreilles sont espacés selon le
diamètre du tunnel, de telle façon que nos pas génèrent des sons presque musicaux. Parce que
tunnel.
3.4
Réverbération.
La résonance dans une pièce est la tendance, de par ces dimensions, qu'elle a de favoriser
l'établissement d'ondes stationnaires de fréquences spécifiques. Ces ondes stationnaires sont le
résultat des interférences entre le son direct émis par une source sonore et ses multiples réflexions.
En d'autre terme, lorsqu'un son produit des réflexions sur les parois d'une pièce et que celles-ci se
mélangent au point de ne plus pouvoir distinguer les échos du son direct, on parle de
réverbération.
Niveau (dB)
Son direct
Premières
réflexions
early reflections
(
)
Réverbérations
Reverb
(
)
Temps (ms)
Illustration 33: Succession de réflexions, schématisées par des
traits, formant une réverbération.
Les échos se succèdent rapidement, avec un intervalle de temps inférieur à la milliseconde. De
plus, les parois ne sont pas absolument réfléchissantes. Pour chaque réflexion il y a absorption d'une
partie de l'énergie acoustique, dissipée par l'air ou sur les parois. Cela engendre une extinction de la
réverbération, qui finit par ne plus être perceptible.
3.4.1 Expérience de Sabine.
A la fin du 19ème siècle, Wallace Sabine, installe un orgue dans les auditoires de l'université
d'Harvard. Le son que produit l'orgue présente une enveloppe temporelle avec une période de
sustain stable qui ne dépend que du temps pendant lequel la touche est enfoncée. Il mesure avec un
chronomètre la période pendant laquelle le son « persiste » dans la salle après le relâchement de la
touche, c'est à dire le temps d'extincion de la réverbération. Après avoir effectué ces mesures, il
en arrive à deux conclusions :
•
Les temps d'extinction de réverbération d'une même note d'orgue sont proportionnel aux
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 47.
dimensions de la salle, à son volume.
•
Ce temps est aussi proportionnel à la surface et à l'absorbance des parois de la salle.
3.4.2 Temps d'extinction RT60.
Avec les moyens d'aujourd'hui il est possible de mesurer le temps d'extinction d'une
réverbération assez facilement. On utilisera un microphone calibré qui enregistrera le signal d'un
son impulsionnel, un claquement de main ou des impulsion, des sinusoïdes avec une enveloppe
temporelle en pic, générées par un oscillateur électronique. On considère qu'une réverbération
disparaît et devient imperceptible lorsque le niveau des échos qui la constitue a diminué de 60 dB
par rapport au niveau de pression acoustique du son initial. Cela correspond à une pression
acoustique un million (10⁶) de fois plus faible.
D'autre part, en connaissant les dimensions de la pièce et la constitution des parois on pourra
calculer un RT60 théorique (en seconde s). On peut déterminer le volume (V en m³)) de la pièce et
la surface (S en m²) totale des parois en connaissant ses dimension. Volume et surface nous
permettent de déterminer statistiquement le trajet moyen d'une réflexion (4V/S en mètre). On sait
que la pression acoustique efficace des ondes réfléchies que constitue la réverbération diminue de
façon exponentielle. Beaucoup de chose dans la nature, comme le nombre de lapin dans mon jardin
par exemple, suivent une croissance ou décroissance exponentielle. Pour déterminer le temps de
réverbération on utilisera donc dans notre calcul une fonction du logarithme naturel (ln, ou encore
log de base e, e ≃ 2,71828). On utilisera aussi la célérité du son (c en m/s).
RT60=
4V ln 10⁶
V
≃ 0,161
S cα
Sα
On peut aussi modéliser la salle en 3D dans des programmes dédiés à l'acoustique des salles,
comme CATT Acoustic, ou importer des modèles issus de programmes architecturaux comme
AutoCAD ou Sketchup.
3.4.3 Distance critique.
Les sons que l'on perçoit dans la nature sont donc émis dans des champs restreints et cela
engendre leurs réverbérations. On distinguera dans le son perçu un son direct, émis directement par
la source sonore, et un son diffus, réverbéré, naissant des réflexions du son. Pour une salle
volumineuse, présentant un temps d'extinction long, une réverbération importante, il pourra y avoir
des endroits ou le son direct, atténué par la distance, présente un niveau plus faible que le son
diffus. Dans certaines grandes églises, les paroissiens du fond n'entendent essentiellement que la
réverbération produite par les litanies du prêtre. Ils sont au delà d'une distance critique par rapport
à la source sonore. Lors d'une prise de son, il existe aussi pour chaque source sonore que l'on veut
sonoriser une distance critique au delà de laquelle le son direct est plus faible que le son diffus.
3.4.4 Critères de qualité acoustique.
La réverbération est un phénomène naturel essentiel à la localisation dans l'espace des sons
perçus. Il existe des espaces traités acoustiquement de façon à éviter toute réverbération. Ce sont
par exemple des chambres anéchoïques, dont les parois sont tapissés d'absorbants et de diffuseur
afin d'éviter presque toutes réflexions acoustiques. La prise de son d'une source sonore dans un tel
espace est très utile d'un point de vue scientifique afin d'analyser les sons, mais les enregistrements
laissent un sentiment de désorientation à l'auditeur. Le cerveau a besoin de situer le son, de
recueillir des informations sur sa position et son environnement. Il trouve une partie de ces
informations en analysant la réverbération du son.
Artistiquement parlant, la réverbération est aussi recherchée afin de « grossir » le son. Certains
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 48.
lieux présentant une grande réverbération permettront une amplification acoustique naturelle des
sons. Néanmoins, une réverbération trop importante nuira à la précision et à l'intelligibilité du
son direct, parfois noyé dans le son diffus. Dans une salle très réverbérante, il est parfois nécessaire
de se concentrer afin de bien comprendre un message ou localiser une source sonore. Cela contribue
à ce que le sonorisateur appelle la fatigue auditive.
Pour décrire une réverbération de manière objective, on peut mesurer des critères de qualité :
•
Le RT60 : Le temps d'extinction de la réverbération est sans doute le critère le plus
important. Celui-ci pourra pour une salle donnée être modifié. Le but d'un traitement
acoustique est principalement d'obtenir un RT60 optimal, adapté à la salle et au type de son
ou de spectacle pour laquelle elle est bâtie. Pour un studio d'enregistrement, on essaiera de
réduire le RT60 en dessous d'une seconde. Pour une salle de spectacle vide on cherchera un
RT60 optimal en dessous de deux secondes. Pour que le curé de Notre-Dame de Paris en
impose un max à ses ouailles, on gardera un RT60 de 8 secondes. Le réduction du RT60 est
assurée par l'ajout d'absorbants au niveau des parois de la salle. On pourra aussi moduler le
RT60 en utilisant des panneaux acoustiques mobiles.
•
La densité : Si les parois de la salle ne sont pas homogènes, ne présentent pas toutes la
même absorbance et diffusion, on verra apparaître dans la décroissance des réflexions
formant la réverbération des paquets qui formeront des échos distincts, parfois nettement
perceptibles. Malgré un RT60 optimal, ce type de réverbération génèrent des interférences
plus importantes, un effet de filtre en peigne plus important. Afin de répartir au mieux la
densité des réflexions, on utilisera des diffuseurs, généralement placés sur les murs.
•
L'EDT : Early Decay Time, aussi appelé RT10. La durée pendant laquelle la réverbération
chute en niveau de 10 dB contient les toutes premières réflexions du son et sont très
spécifiques de l'acoustique de la salle. Les premières réflexions, early reflections, ou ER
sont cruciales pour identifier la position d'une source sonore. La toute première réflexion est
en fait le rebond sur le sol entre la source et l'auditeur. Les oreilles et le cerveau se servent
de cette première réflexion pour évaluer la distance à l'objet. Elle donne au son une notion
de profondeur, une information cruciale.
Ces mêmes critères sont souvent repris sur du matériel de sonorisation qui imite une
réverbération naturelle, en ajoute au signal. Un module d'effet de réverbération présentera souvent
un bouton de RT correspondant au RT60. Ce type d'effet est très important pour grossir le son et
donner l'illusion d'un espace sonore, surtout ajouté à des signaux capté par des micros très proche
des sources, ne contenant presque que du son direct. Attention néanmoins de ne pas en abuser, sous
peine de passer pour un nostalgique du son des années 80'.
Physique acoustique – Notions d'acoustique architecturale. - Page 49.
4
La perception auditive.
Ce chapitre du cours est dédié à l'explication des mécanismes de la perception auditive. Le sens
de l’ouïe permet aux être vivants de percevoir les sons, les vibrations engendrant des ondes
acoustiques. Cette faculté ancestrale permet au lombric de percevoir les sons sous terre et, leurré, de
finir sur l'hameçon du pêcheur. L'ouïe est un sens primal. Quand les paupières et la bouche sont
fermées, les oreilles, elles, restent ouvertes, réveillent, alertent du danger.
Même si après tant d'années d'évolution nos oreilles humaines ne sont pas les plus efficaces pour
percevoir nettement les sons, en comparaison de celle d'un chien par exemple, les processus
cognitifs que nos cerveaux déploient en percevant les sons sont subtils. Nous sommes capable de
localiser et identifier les sources sonores par les sons qu'elles émettent. Un domaine de recherche à
la croisée de la physique, de la biologie, de la statistique et de la psychologie, appelé la
psychoacoustique propose des thèses afin d'expliquer comment tout cela est possible.
4.1
Description anatomique de l'oreille.
Les oreilles, le système auditif, sont les organes responsables de la perception des sons, les
microphones « faits maison » du corps humain. Une oreille est composé de trois parties : l'oreille
externe, l'oreille moyenne et l'oreille interne.
Illustration 34: Description d'une coupe transversale de l'oreille.
4.1.1 L'oreille externe.
L'oreille externe est la partie de l'organe à l'extérieur du crâne, directement visible. Elle est
formée par le pavillon et le conduit auditif.
•
Le pavillon est une lame de cartilage et de peau dont la forme joue un grand rôle dans la
localisation des sons. Le pavillon joue le rôle de paravent, évite les flux d'air qui produisent
des bruits, des sons complexes inutiles. Les ondes acoustiques sont réfléchies, absorbées et
diffusées par les replis du pavillon. Ceux-ci sont agencé de telle manière qu'un son subira
des filtrages de manière spécifique à la direction de sa propagation. Pour des fréquences
de plus de 2 kHz, la localisation de la source sonore est très dépendante du filtrage dû à la
forme du pavillon. La partie en entonnoir du pavillon jouera aussi le rôle de cornet
acoustique, amplifiant les sons par focalisation.
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 50.
•
Le conduit auditif est un canal qui rentre dans le crâne à travers l'os temporal. L'intérieur
du canal est couvert de poils et de pores de glandes sécrétant du cérumen, ce qui protège les
parties internes plus fragiles des poussières et autres corps étrangers. Sa longueur moyenne
pour un être humain adulte est de 3 cm. La colonne d'air que forme le pavillon et le conduit
rentre en résonance pour une fréquence moyenne de 3,7 kHz. Toute une bande de fréquence
dans chaque son perçu par les oreilles subira donc une amplification naturelle issue de la
géométrie de l'oreille.
4.1.2 L'oreille moyenne.
L'oreille moyenne est visible à la dissection et prolonge l'oreille externe à l'intérieur du crâne,
enfermée dans une cavité osseuse appelée la caisse du tympan. Comme l'intérieur de la bouche, elle
est recouverte d'une muqueuse. Elle est remplie d'air et contient le tympan, la chaîne des osselets et
est reliée à l'arrière de la gorge par la trompe d'Eustache.
•
Le tympan : Disposé comme une peau de résonance de tambour à l'extrémité du conduit
auditif, c'est une mince membrane élastique qui transmet les vibrations de l'air.
•
La trompe d'Eustache : ce canal prolonge la cavité du tympan vers l'arrière de la gorge et
se finit par un opercule, un petit couvercle musculaire. Elle permet de rétablir un équilibre
de pression entre l'air enfermé dans l'oreille moyenne et l'air extérieur. Lors d'un bâillement,
l'opercule de la trompe s'ouvre et un peu d'air circule dans la trompe. Il est recommandé lors
de rapide changements d'altitude de bailler fréquemment afin d'éviter que les oreilles
bourdonnent.
•
La chaîne des osselets : C'est une série de trois petits os appelés le marteau, l'enclume et
l'étrier, car leurs formes rappellent vaguement ces objets. Les vibrations du tympan se
propagent au marteau, fixé sur celui-ci. Le marteau s'articule sur l'enclume, qui, elle,
s'articule sur l'étrier. Les vibrations se transmettent donc dans un solide, une série d'os
maintenu ensemble par de fins ligaments.
4.1.3 L'oreille interne.
L'oreille interne est l'organe responsable, à proprement parler, de l'ouïe. C'est un labyrinthe de
membranes contenant du liquide et recueillant des terminaisons nerveuses qui achemineront les
informations sensorielles au cerveau sous la forme d'impulsions nerveuses, de signaux électriques.
Elle est située dans une cavité osseuse appelée l'os du Rocher. Le labyrinthe comprend deux régions
qui ne sont pas séparées entre elles, appelées le vestibule et la cochlée.
•
La fenêtre ovale est une fine
membrane reliée à l'étrier.
Derrière
celle-ci,
les
vibrations sont transmises
dans un liquide (moins
élastique que l'air) appelée la
périlymphe.
•
La cochlée est un cône replié
en spirale. Elles est séparée Illustration 35: Schéma d'une cochlée "déroulée".
en trois compartiments : les
rampes extérieures (vestibulaire et tympanique) et la rampe intérieure (cochléaire). Les
rampes extérieures sont remplies de périlymphe. Elles entourent la rampe intérieure qui se
déforme selon les vibrations transmises.
•
La fenêtre ronde est, comme la fenêtre ovale, une fine membrane, située à l'autre bout des
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 51.
rampes extérieures. Elle se déforme afin de compenser la pression dans la périlymphe.
•
Les rampes contiennent les cellules nerveuses. Elles s'étendent dans toute la cochlée. Les
rampes extérieures communiquent par un petit trou à leurs extrémités. La déformation des
rampes extérieures par les vibrations est perçue par les cellules tapissant la surface de la
rampe intérieure. Ce paquet de cellules forme l'organe de Corti. Le mouvement est détecté
par de fins cils de protéines sur la surface des cellules. Lorsque les cils entre en mouvement,
la cellule effectue une impulsion nerveuse.
•
Le vestibule est une partie du labyrinthe qui forme trois anses, trois tuyaux recourbés
remplis de périlymphe, réparties selon trois axes, comme si elles tapissaient trois faces d'un
cube invisible. Elles sont à la manière de la rampe intérieure, tapissée de cellules sensitives
ciliées. Lorsque la tête bouge selon un certain axe, le liquide contenu dans l'une des trois
anse sur le même axe reste immobile par inertie. Puisque le liquide ne bouge pas mais que
tout le canal bouge, les cils détectent un mouvement et le signal transmis au cerveau permet
d'analyser à tout moment la position de la tête et maintenir le corps en équilibre sur ses
pieds. C'est un accéléromètre organique. Lorsqu'on s'amuse à se faire tourner la tête sur une
chaise de bureau, les signaux du vestibule sont perturbés et on a une sensation de
désorientation.
L'impulsion nerveuse est une « décharge électrique » qui parcourt la surface des neurones. La
fréquence de décharge de ces impulsions est dépendante du mouvement des cils. L'ensemble de ces
impulsions constitue un signal, une information, relayée au cerveau par des fibres nerveuses, un
« câblage organique ». Des paquets de neurones, de cellules nerveuses, dans le cerveau, constituent
des réseaux, des centres cognitifs, qui permettent à l'être humain d'interpréter les stimulations, les
signaux, et d'agir en conséquence. La région du cerveau qui traite les données relatives aux sons est
appelée l'aire auditive.
4.1.4 La proprioception et le toucher.
La peau et les organes internes contiennent des cellules sensible à la pression et capable de
relayer des informations au cerveau. Elles sont responsables du sens du toucher, ainsi que de la
faculté du cerveau à connaître la position du corps et des membres, c'est à dire la kinesthésie ou
proprioception. Ce type de cellules nerveuses est responsable du réflexe qui amène à tendre la
jambe lorsque le docteur frappe avec le genoux avec un petit marteau, par exemple. Une partie des
sons est aussi perçue de cette manière. Les ondes sonores de basses fréquences engendrent des
pressions sur la peau et font vibrer l'air dans les cavités corporelles, comme les poumons.
4.2
L'oreille moyenne statistique.
Comme pour les goûts et les couleurs, il est difficile d'établir des généralités sur la perception
auditive. Elle présente pour chacun une multitude de différences, parfois infimes et parfois
majeures. Ces différences peuvent être anatomiques ou physiologiques, mais aussi cognitives,
puisqu'il y a forcément une interprétation du cerveau. La psychoacoustique utilise une approche
statistique et rassemble les points communs pour établir ses modèles. On parle d'oreille moyenne
pour établir des généralités statistiques.
4.2.1 Fréquences : bande passante de l'oreille.
L'oreille moyenne perçoit des ondes acoustiques dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz
et 20 kHz. Ses limites sont principalement dues à la physiologie de l'oreille. Les vibrations du son
sont transmise dans l'air jusque dans l'oreille externe. Ensuite dans des solides (tympan et osselets).
Puis finalement dans un liquide (la périlymphe) avant d'atteindre les cellules ciliées.
•
Au dessus de 20 kHz, les sons de hautes fréquences sont dissipés par les changements de
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 52.
milieux. On parle alors d'ultrasons. L'exposition à des ultrasons de forte amplitude entraîne
néanmoins des sensations désagréables et peut entraîner des lésions de l'oreille interne.
Certains animaux perçoivent les ultrasons. La chauve-souris en émet afin de générer des
échos qui lui permet de percevoir son environnement dans l'obscurité. C'est aussi le principe
du sonar et de l'échographie quand les ondes sont propagées dans l'eau ou des tissus
organiques.
•
En dessous de 20 Hz, les mouvements sont trop lents et indétectables. Ces sons, appelés
infrasons ou infrabasses, peuvent néanmoins générer des pressions et être perçus par
l'entièreté du corps.
4.2.2 Amplitude : seuils d'audibilité et de douleur.
Pour des sons purs, la sensibilité des oreilles dépend de la fréquence de l'onde écoutée. La
perception auditive est optimale pour de fréquences comprises entre 2kHz et 4 kHz. Pour cette
bande de fréquence, on pourra percevoir des sons d'une pression acoustique efficace de 20 µPa
(micropascal, millionième, 0,00002 Pa). C'est la pression acoustique de référence pour calculer le
niveau de pression. Le seuil d'audibilité de cette bande de fréquence est donc de 0 dB SPL (voir
chapitre 2). L'oreille humaine est calibrée pour percevoir avec un meilleur rendement des
fréquences qui correspondent à la voix humaine. Le pavillon et le conduit auditif amplifient
naturellement ces fréquences.
Pour des fréquences hors de
cette bande, la perception
nécessite des ondes avec des
pressions acoustiques efficaces
plus fortes. Un son pur, d'une
fréquence de 100 Hz par
exemple, ne sera pas perceptible
si sa pression acoustique est
égale à 20 µPa. Il ne sera
perceptible que pour une
pression cent fois plus forte, à 2
mPa (millipascal, 0,002 Pa).
Cela correspond à un niveau
égal à 40 dBSPL. De la même
façon, un son très aigus de 15
kHz ne sera détectable que si Illustration 36: Seuils de perceptions et de douleur selon la
son niveau de pression est de 40 fréquence.
dBSPL.
Le seuil de douleur est la valeur de pression acoustique d'un son qui entraîne une sensation
douloureuse. Comme pour le seuil de perceptibilité, celui-ci varie en fonction de la fréquence. Sa
valeur moyenne est de 163000 Pa. Cela correspond à un niveau de 130 dB SPL. Entre 6kHz et 10
kHz, les oreilles sont les plus sensibles pour de fortes pressions. On pourra donc déclencher des
sensations douloureuses à des niveaux de pression de 110 dBSPL à ces fréquences.
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 53.
4.2.3 Sonie et courbes isosoniques.
L'intensité de la sensation que génère une onde acoustique s'appelle la sonie, ou loudness en
anglais. Elle varie de manière non linéaire avec les fréquences des ondes perçues. Autour de 3 kHz,
les sons sont facilement détectables, leurs sonies sont importantes. Plus on s'éloigne dans l'aigu ou
le grave, moins ils sont perceptibles. La sonie à ces fréquences est plus faible. Fletcher et Munson
sont deux chercheurs qui ont fait une étude statistique sur la sonie. Ils ont mesuré chez un grand
nombre de personne les seuils d'audibilité de sons de différentes fréquences, ainsi que les sonies,
l'intensité comparée des sensations auditives, que ces sont présentaient. Le fruit de leurs travaux est
condensé dans un graphique décrivant des courbes isosoniques (de même sonie) et représentent le
filtrage statistique que les oreilles exercent sur le spectre d'un bruit blanc.
Illustration 37: Courbes isosoniques.
On peut mesurer la sonie des sons à l'aide d'un sonomètre. C'est un microphone calibré qui
permet de mesurer des niveaux de pression acoustique. Ces niveaux sont pondérés selon leurs
fréquences afin d'estimer la sonie du son capté, par rapport à une courbe ressemblant aux courbes
isosoniques. La mesure a pour unité le dBA (décibel pondéré A). La courbe de pondération A est
moins précise que les courbes isosoniques. Néanmoins elle constitue une norme dans la conception
des sonomètres, dont les mesures permettent de déterminer si la sonie d'un événement ne dépasse
pas des limites fixées par la loi : généralement 90 dBA en salle, un niveau inférieur à celui d'une
batterie « rock » non-sonorisée à 1 m.
La perception non-linéaire de la sonie est à garder en mémoire lors d'une prise de son ou d'un
mixage enregistré. La bande de fréquence entre 2 et 4 kHz est mieux perceptible à faible niveau
d'écoute. Si le niveau d'écoute avec lequel le mixage est réalisé est faible, cette bande sera
surestimée et sous-mixée, c'est à dire mixée à un niveau plus faible. A l'inverse si le niveau d'écoute
est trop important, cette bande a tendance a être sous-estimée, surmixée. Le niveau moyen avec
lequel les gens écoutent de la musique est estimé entre 90 et 100 dBSPL.
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 54.
4.3
Interprétations cognitives des sons.
4.3.1 Analyse différentielle, la perception des nuances et des hauteurs.
« La sensation varie avec le logarithme de l'excitation ». Voici énoncée la loi de Fechner. Ce
psychologue a réalisé une étude statistique portant sur la faculté des gens à estimer les masses des
objets. Si l'on porte à bout de bras un objet, on éprouvera une certaine sensation qui peut nous servir
à estimer la masse de l'objet. Plus l'objet est lourd et plus l'intensité de la sensation est grande, mais
elle ne varie pas de manière linéaire avec la masse de l'objet.
•
Tenu à bout de bras, une masse d'un kilogramme génère une sensation d'une certaine
intensité. Si on ajoute une plus petite masse d'une centaine de gramme, l'intensité de la
sensation sera plus grande.
•
Si on recommence l'expérience avec une masse de cinq kilogramme, l'intensité de la
sensation sera nettement plus forte. Mais un ajout d'une petite masse de cent gramme sera
par contre nettement moins perceptible.
C'est un peu la même chose pour estimer la sonie des sons. Cela justifie l'utilisation sur le terrain
d'une échelle de mesure relative et logarithmique : le niveau de pression acoustique. L'oreille
moyenne est capable de percevoir une variation de niveau égale à 1 dB. Cela est du aux
caractéristiques physiologiques de l'oreille mais aussi a divers processus cognitifs qui relèvent de la
concentration mentale. Il sera facile pour un régisseur averti de détecter une telle variation dans un
son sur lequel il porte son attention. D'autres auditeurs inattentifs ne la détecteront pas.
C'est aussi vrai pour l'estimation de la hauteur des sons. Pour l'oreille moyenne, l'estimation de la
hauteur des sons est dépendante, de façon non linéaire, de la fréquence écoutée. La hauteur est
d'autant plus difficile à déterminer si les sons ont des fréquences très graves ou très aiguë, même
s'ils ont la même sonie. Certains musiciens aguerris sont capable de déterminer très précisément la
hauteur des sons. Ils ont « l'oreille absolue », leur cerveau est capable d'analyser et de traduire les
sons en note de musique. Ils ont gardés en mémoire les stimulations des sons. Leur éducation
musicale leur a appris à classer et qualifier de manière abstraite ces souvenirs.
4.3.2 Appréciation du timbre.
Écouter un morceau de musique ou un message vocal, cela revient finalement à demander au
cerveau d'analyser constamment les stimulations acoustiques et d'en déduire les informations que
sont le spectre et la sonie des sons. On pourra reconnaître le timbre d'une voix ou d'un instrument
grâce à nos micros et à notre spectrogramme cérébral.
Lors de l'estimation de la hauteur d'un son, le cerveau détectera la fréquence du spectre la plus
intense. C'est généralement la fréquence fondamentale. Les harmoniques et partiels qui composent
le son permettront d'identifier le timbre de l'instrument et nous permettrons de distinguer un La3
chanté d'un La3 émis d'un violon.
Depuis notre naissance, nous avons appris à associer les timbres des voix et des instruments à
des souvenirs et d'autres stimulations. On peut se rappeler la voix d'un être cher, comme de son
visage. Quand cette personne vous téléphone, le son qui sort de l'écouteur ne contient pas les
fréquences graves et aiguës, le bas du spectre en dessous de 300 Hz et le haut du spectre au dessus
de 4kHz. Néanmoins, il nous est assez facile d'ignorer cet effet de filtre et de reconnaître la
personne qui nous appelle. Le cerveau a la tendance assez aisée de reconstruire le spectre d'un
souvenir ou d'imaginer une information manquante.
4.3.3 Bruits et effet de masque.
On distinguera ici deux termes, le son et le bruit :
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 55.
•
Un son : dans sa définition physique stricte, le son est un phénomène de nature vibratoire
qui génère des ondes acoustiques. En psychoacoustique, cette définition est un peu plus
raffinée, puisque le son est une sensation, une perception. En d'autres termes, le son est une
information significative perçue par les oreilles. Analysé par le cerveau, l'auditeur peut
identifier et apprécier un son.
•
Un bruit : D'un point de vue purement physique, un bruit est aussi un son.
Psychoacoustiquement parlant par contre, le bruit ne contient pas d'informations, ou en
contient beaucoup trop, pour que le cerveau l'analyse et l'identifie correctement.
Même si le seuil d'audibilité est à 0 dB SPL, il est très rare de rencontrer des conditions d'écoute
qui permettent d'entendre des sons de niveaux aussi faibles. Le silence n'est pas l'absence de son,
mais plutôt l'absence de sons intelligibles, plus intenses que le bruit de fond. Même dans un studio
professionnel, isolé acoustiquement, il n'est pas rare de mesurer un bruit de fond de plus de 30
dBSPL, formés par les mouvements thermiques de l'air, des matériaux ou de la respiration.
Le bruit de fond masque les sons. A niveaux égal un son noyé dans du bruit est extrêmement
difficile à identifier. Le bruit blanc par exemple, a un spectre continu qui contient un très grand
nombre de fréquences. Un son de voix présentera un spectre à raies : une fréquence fondamentale,
des harmoniques, des partiels et des transitoires. Le spectre du bruit blanc recouvre le spectre du
son, qui n'est presque plus perceptible. Cela est du aux interférences et déphasages aux fréquences
communes aux deux spectres, mais aussi au manque d'informations perçues par le cerveau qui ne
distinguera plus le son du bruit. C'est l'équivalent sonore d'un camouflage visuel : dans un paysage
auditif contenant beaucoup d'information, le cerveau ignore totalement la présence du son
« caméléon ».
Les effets de masquage fréquentiel sont des problèmes rencontrés fréquemment par le régisseur,
notamment lors du mixage. Lors de la composition musicale, le musicien averti répartira les notes et
parties joués par les différents instruments de manière à éviter le masquage, la cacophonie. Cette
technique s'appelle l'orchestration. Une musique bien orchestrée est donc assez facile à sonoriser.
Chaque son, chaque source sonore, a sa place fréquentielle bien délimitée dans le spectre du mixage
final. Le régisseur devra, lorsque la musique présente des défauts d'orchestration, les corriger, en
modifiant les spectres des sons captés et diminuant leurs recouvrements. Certains groupes de rock
sont formés de deux guitaristes. L'orchestration des morceaux amène souvent l'un des guitaristes à
jouer des notes graves et répétées afin d'assurer une rythmique, tandis que l'autre jouera une
mélodie plus aiguë. Si pour certains morceaux les guitares jouent des parties identiques, on veillera
afin de pouvoir continuer à les distinguer à répartir les deux spectres en évitant leur recouvrement,
en modifiant les niveaux de certaines bandes de fréquence à l'aide d'un égaliseur (EQ) par exemple.
4.3.4 Localisation binaurale, monaurale, spatiale, effet de précédence.
La région du cerveau qui correspond à l'audition se situe dans le lobe temporal, une région du
cortex, de la matière grise, située juste derrière le crâne au niveau des oreilles. Cette zone du
cerveau contient l'aire de Wernicke, une couche de neurone responsable de la compréhension des
mots. Le lobe temporal communique, est câblée avec des neurones de l'arrière du lobe frontal
appelée la zone de Broca, responsable du langage.
Juste au dessus de l'aire auditive, on a un « carrefour » cérébral. Trois lobes du cerveaux se
rencontrent : le lobe temporal, le lobe frontal et le lobe pariétal. Ils contiennent respectivement les
aires cérébrales responsables de l'audition, de la motricité et du toucher. Ces trois aires sont câblées
et échangent entre elles des informations cruciales pour que le cerveau analyse la position du corps
et des sources sonores qu'il perçoit dans son environnement.
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 56.
Afin de déterminer la direction
d'une source sonore, le cerveau analyse
le son qu'elle émet. Selon sa direction
par rapport à la tête, le son arrivera
avec un léger retard entre les oreilles.
Si une source sonore émet à gauche de
la tête, le son arrivera tout d'abord à
l'oreille gauche, puis ensuite, avec un
retard dépendant de la taille de la tête,
à l'oreille droite. Ce retard est toujours
inférieur à 1 ms (milliseconde). Le
cerveau compare les deux sons perçus
et analyse le déphasage spatial qu'ils
présentent, attribuant ainsi à la source
sonore une direction dans l'image
mentale de son environnement. Cette
analyse
du
déphasage
permet
d'attribuer des directions à des sons
contenant des fréquences inférieures à Illustration 38: Aires cérébrales.
800 Hz. C'est une localisation
binaurale (à deux oreilles).
Pour localiser des sources sonores émettant des sons de fréquences supérieures à 800 Hz, le
cerveau a tendance à utiliser une autre astuce. Pour une seule oreille, ces sons sont sujets à tout une
série de réflexions, diffractions et absorption occasionnées par la tête et par la forme complexe du
pavillon. Un son venant de l'arrière subira un effet de filtre passe-bas du a l'ensemble de l'oreille et
un diffraction au bord de celle-ci, tandis qu'un son venant de face va se réfléchir et se diffracter sur
les différents plis de l'oreille ce qui générera autant de petites interférences de déphasage très
dépendantes de la direction du son. C'est une localisation monaurale (à une oreille). Ce même son
sera perçu de l'autre coté de la tête après avoir subi un filtrage dépendant des absorptions et
diffractions que la tête elle-même exerce sur celui-ci.
Le cerveau analyse de cette façon la provenance du son direct. Dans la majorité des cas celui-ci
est suivi d'échos formant une réverbération. La période EDT de la réverbération (l'early decay time)
qui contient les premières réflexions (ou ER, early reflections), est riche en information. Ces
premières réflexions viennent du son direct se réfléchissant une première fois sur le sol et les parois
de la salle. L'EDT se situe généralement dans un intervalle 10 à 20 ms après le son direct. Le
cerveau l'analyse, il détecte notamment les interférences de déphasage, les filtrages en peigne que
les ER présentent entre elles et avec le son direct. Cela permet de manière inconsciente d’estimer la
distance de la source sonore (par triangulation avec le son direct et le rebond de la première
réflexion sur le sol). Cela permet aussi d'estimer la taille en volume et la surface des parois de
l'espace dans lequel le son est produit.
Le mode de fonctionnement du cerveau fait donc une analyse par paquet du son direct et du son
diffus. Si un son et ses réflexions sont compris dans une période de moins de 50 ms (milliseconde),
le cerveau les analyse par paquet et considère qu'ils proviennent d'une même source émettant un
seul son unique. C'est un phénomène psychoacoustique appelé l'effet de précédence. Si deux sons
différents mais semblables arrivent aux oreilles avec un retard entre eux de moins de 50 ms, le
cerveau aura généralement tendance à les confondre et les identifier comme un seul et même son.
4.3.5 Écoute critique : apprentissage, concentration.
Le bébé ou l'enfant apprend à se mouvoir au début de sa vie. Cet apprentissage de la motricité est
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 57.
facilité à l'école par des cours de gymnastique, par exemple. Si l'enfant continue à s'entraîner, il
finira éventuellement par devenir un véritable athlète. Bien sûr la bonne forme musculaire et la
jeunesse permettent de se mouvoir facilement. Mais méfions-nous du vieux maître en karaté, plein
d'arthrite mais expérimenté, qui peut facilement nous étaler sur le tatami.
Cela se passe de la même manière pour la perception auditive. L'éducation musicale et culturelle
demande des efforts d'analyse qui entraînent et facilitent l'écoute critique. Il est aussi très aisé de
détériorer son acuité auditive en prenant de mauvaises habitudes d'écoute. Entre des prix de ventes
élevés, parfois totalement injustifiés et gonflés par la publicité, une obsolescence induite sciemment
par les ingénieurs, et des légendes urbaines sans fondement scientifique ancrées dans les milieux
professionnels et chez les mélomanes férus de « HiFi », choisir du matériel d'écoute correct est une
tâche difficile. Demandez autour de vous, à des personnes dont vous appréciez le travail de mixage,
leurs avis et références, mais surtout essayez et comparez vous-même le matériel avant de l'acheter.
Avec le temps et l'expérience votre analyse critique des sons ne pourra ainsi que s'améliorer.
On peut ici aussi distinguer deux termes : entendre et écouter :
•
On entend les sons ou les bruits. On les interprète, les localise ou identifie de manière
presque inconsciente.
•
Écouter, en revanche, demande une participation active du cerveau conscient. Il doit
analyser les sons, les distinguer des bruits, les localiser, les interpréter en fonction d'un
langage appris ou les apprécier en regard de la culture musicale qu'il a mémorisée.. Il y porte
intérêt.
Afin d'illustrer cette différence, rappelez-vous de votre premier rendez-vous amoureux. C'était
dans un lieu public peut-être rempli de monde, et pourtant vous n'aviez d'oreilles que pour lui, ou
elle. Votre cerveau se focalisait sur les sons émis par votre partenaire, ignorant totalement les
conversations et le bruit de fond alentour. En psychoacoustique, cela est décrit comme l'effet
« cocktail party ». L'écoute critique et objective nécessite énormément d'attention et de
concentration. Certains sonorisateurs aguerris entrent dans un état proche de la méditation avant
même le début des répétitions ou du mixage, et élaborent mentalement une ébauche précise du
travail. Ensuite ils maintiennent une écoute critique du son, focalisant parfois leur attention sur un
instrument ou une source, mais veillant constamment à l'équilibre du mélange de son qu'ils
effectuent.
L'état psychologique d'un auditeur influence, entre autre, son écoute. Qui n'a jamais mal entendu
ou confondu des mots par un « lapsus sonore » ? L'écoute critique nécessite de mettre de coté les à
prioris et les querelles d’égos. Le mixage est un travail technique et artistique, mais aussi et surtout
un travail d'équipe. Cela nécessite une volonté de compréhension, une bonne entente pour une
bonne écoute. Il faudra maintes fois faire preuve de diplomatie envers les artistes, parfois stressés
avant leurs prestations, parfois inaptes à la concentration, imbibés ou enfumés... L'attitude
professionnelle d'un régisseur est de rester calme et sympathique avec le public comme avec les
artistes et son équipe de techniciens et collègues, tout au moins avant et pendant les représentations.
Un régisseur inquiet et désagréable ne sera plus écouté et parfois à peine entendu, et cela fini
souvent en cas de divorce. On tachera donc de rester serein, sauf lorsque les termes d'un contrat
professionnel ne sont pas respecté ou qu'un individu peu respectueux menace la sécurité de
l’événement ou l'intégrité du matériel.
4.3.6 Surdité et fatigue auditive.
La surdité est une altération de l'acuité auditive. Elle se traduit par une perte partielle ou totale,
temporaire ou permanente, de sensibilité de la perception auditive par rapport au modèle statistique
de l'oreille moyenne. Elle est engendrée par le vieillissement, un défaut génétique, un traumatisme
ou une maladie infectieuse affectant les oreilles ou les régions cérébrales associées à l'audition.
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 58.
Le vieillissement des cellules ciliées dans la cochlée engendre une surdité liée à l'âge. Après
vingt ans en moyenne, leur nombre décroit au fil des années. Lors d'une exposition prolongée a des
ondes acoustiques de fortes amplitudes, elles sont parfois trop sollicitées et meurent sans être
remplacées par de nouvelles cellules. Il est généralement admis qu'une exposition de quelques
minutes à des sons dépassant le niveau de seuil de douleur (130 dB SPL) altère de façon irrémédiable
la perception auditive.
A la manière d'un chatouillement imaginaire perçu parfois après l'amputation d'un membre, le
cerveau, privé d'un signal transmis d'habitude par certaines cellules ciliées de la cochlée, imaginera
des sons. L'acoufen est généralement un son pur d'une fréquence aiguë dont on ne peut déterminer
l'origine. C'est le signe de l'épuisement ou de la mort de cellules ciliées dans les cochlées. On
conseillera fortement dans ce cas du repos et la consultation d'un ORL.
Tout comme les cellules ciliées qui peuvent s'épuiser, le cerveau ne peut maintenir éternellement
la concentration maximale que requiert l'écoute critique. Il finira par éprouver une fatigue auditive.
Les efforts d'identification et d'interprétation peuvent être d'autant plus pénibles si le régisseur
travaille dans de mauvaises conditions.
La fatigue auditive peut être réduite :
•
Par l'utilisation d'un matériel d'écoute de bonne qualité, bien placé.
•
Par un niveau d'écoute adapté (90 à 100 dB SPL dans les studios, le niveau d'une
conversation).
•
Par le traitement acoustique de la salle :
◦ Permettant un minimum d'interférences acoustiques entre les sons.
◦ Permettant la réduction du bruit de fond (et une plus grande dynamique).
◦ Permettant l'adaptation du temps de réverbération (et une bonne identification et
localisation des sons).
Physique acoustique – La perception auditive. - Page 59.
5
La chaîne du signal.
Un signal est un phénomène physique que l'on peut traduire en information. Le son est un
signal, tout comme la lumière pour la video. Les salles de concert et les événements réunissent
parfois des centaines de personnes. Pour que chacun puisse entendre le message, l'information ou la
musique, il est nécessaire d'amplifier les sons. Pour cela on mettra en place des régies contenant du
matériel de sonorisation et on engagera des techniciens capables de l'utiliser. Ce matériel sert à
transformer les ondes acoustiques en signal électrique. Ce signal sera traité, amplifié puis restitué
sous forme d'ondes acoustiques. L'ensemble du matériel constitue la chaîne du signal.
5.1
Les microphones.
Les microphones sont les premiers éléments de la chaîne du signal. Leur rôle est de traduire le
signal sonore en signal électrique. Un micro présente un corps par lequel on peut le manipuler, ainsi
qu'une capsule dans laquelle les ondes acoustiques sont transformées en signal électrique. Cette
capsule est un transducteur électroacoustique : elle traduit le son en signal électrique. On peut
penser à un micro comme à un petit haut-parleur. Leur technologie est similaire mais leurs rôles
sont inversés. Pourtant si l'on branche un écouteur dans l'entrée d'une table de mixage, on pourra
l'utiliser comme un micro. La transduction peut se faire dans les deux sens.
5.1.1 Les micros dynamiques.
La capsule du micro dynamique
est constituée d'une membrane
rigide, parfois en papier, appellée le
diaphragme. Une bobine, fin fil en
métal conducteur enroulé sur luimême, est fixé sur le diaphragme.
Autour de la bobine, on a un champ
magnétique généré par un aimant. Le
son absorbé par le diaphragme
entraîne un mouvement. La bobine se
déplace donc à son tour dans le
champ magnétique. L'ensemble des
électrons libres dans le conducteur se
déplace dans celui-ci et on mesure
alors une différence de potentiel à ses
Illustration 39: Schéma d'un micro dynamique.
bornes. C'est l'effet d'induction
électromagnétique. Le diaphragme
vibre en fonction du son. La tension aux bornes de la bobine oscille de la même façon et
correspond de manière assez fidèle à la forme d'onde du signal acoustique.
Les micros dynamiques sont robustes et relativement modiques. L'inertie du diaphragme permet
au micro d'encaisser des pression acoustiques importantes mais entraîne une restitution parfois
réduite de la dynamique des sons et une mauvaise réponse aux sons aigus.
5.1.2 Les micros électrostatiques, à condensateur.
Le transducteur d'un micro électrostatiques est un condensateur. La capsule est ici composée
d'une fine et souple plaque de plastique enveloppée dans une fine couche de métal. C'est un
électrode. Il est monté sur un support isolant en regard d'une plaque de métal plus épaisse et fixe
qui joue le rôle de contre-électrode. Électrode et contre-électrode sont donc séparés par une couche
d'air, entourés d'isolant et relié au circuit par de fins fils conducteurs. l'ensemble forme un
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 60.
condensateur, une capacité électrique.Ces micros sont aussi appelés des « condensers »
Afin de charger cette capacité, ce type
de micro nécessite une source de courant
continu, une alimentation externe de 48
V (Volt). Cette alimentation est assurée
par des piles à l'intérieur du micro, par un
bloc d'alimentation externe, ou encore
directement par la table de mixage
lorsqu'on active l'alimentation fantôme,
qui la transmet par le même câble par
lequel elle reçoit le son (le XLR).
L'électrode vibre en fonction du son.
Sa distance avec la contre-électrode peut
donc varier en fonction du son. Cela fait
varier la capacitance du circuit et entraîne
une variation de la tension à ses bornes.
Ce type de micro est généralement plus
Illustration 40: Schéma d'un micro à condensateur.
sensible à la pression acoustique et
restitue plus précisément les sons aigus
qu'un micro dynamique. Ces micros sont néanmoins plus sensibles aux poussières, à la température,
l'humidité, et aux chocs.
5.1.3 Microphone à électret.
Le fonctionnement du micro à électret est similaire à celui du micro à condensateur. La
différence principale entre ces micros réside dans l'électrode. L'électret est « pré-chargé » lors de sa
fabrication. La capacité est donc déjà chargée mais cette charge diminuera au fil du temps,
entraînant une perte de sensibilité du micro après quelques années. Ce type de micro incorpore
généralement un petit amplificateur qui nécessite une alimentation externe, procurée ici aussi par
une pile ou l'alimentation fantôme de la table de mix. Cette technologie permet la conception de
petits micros coûtants moins cher, mais l'électret se décharge avec le temps. Ce micro à donc une
« date de péremption ».
5.1.4 Sensibilité, directivité, diagrammes polaires.
La sensibilité (sensitivity) d'un microphone est une mesure du rendement du transducteur. Le
micro transforme la pression acoustique en courant électrique. Plus un micro est sensible, plus le
courant sera fort, plus la tension à ses bornes sera importante.
L'unité de la tension est le Volt (V). En audio, pour exprimer la tension délivrée par un micro, on
utilisera souvent le dBu (décibel unloaded), afin d'avoir un équivalent électrique du dBSPL. La
tension de référence du dBu est 0,775 VRMS. Comme cette tension est haute par rapport à la tension
délivrée par la plupart des micros, on trouvera souvent des valeurs négatives en dBu pour décrire la
sensibilité des micros. En règle générale, les micros à condensateur sont plus sensibles que les
micros dynamiques.
On mesure la sensibilité d'un micro en mesurant le courant qu'il délivre pour un son pur de 1 kHz
à une pression de 94 dBSPL (1 Pa). Ainsi :
0 dB=1V /Pa à 1kHz
A titre indicatif, un micro dynamique comme le SM58 présente une sensibilité de -54 dB. C'est à
dire 0,002 V.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 61.
Une autre caractéristique des différents types de micros est sa directivité. Les capsules des
micros sont conçues de différentes façons. Un haut-parleur diffuse des sons de hautes fréquences de
manière directionnelle. De la même façon, un micro a aussi tendance à capter mieux les aigus
quand la source est située dans son axe. Pour certains types de micro la capsule présentera un
obstacle au son, ou le laissera passer. A certaines fréquences la membrane ou le diaphragme
capteront des ondes acoustiques renforcées par des réflexions, ou diminuées par des interférences de
phase. On distingue donc deux type de micros : Les omnidirectionnels et les directionnels.
•
Les microphones omnidirectionnels :
Ce type de micro assure une captation du son uniforme pour une large bande de
fréquence quelle que soit la position de la source par rapport au micro. Ils permettent de
capter l'ambiance d'une salle ou plusieurs sources en même temps. Néanmoins le corps du
micros constitue un obstacle aux sons arrivant à l'arrière de celui-ci. Cela entraîne une légère
atténuation des sons de hautes fréquences. Un son de même intensité sera donc capté de
façon moins nette. Cette atténuation dépend de la taille du micro. Plus celui-ci sera petit,
plus l'atténuation sera faible.
Les fabricants fournissent généralement un diagramme polaire afin de renseigner sur la
directivité de leurs micros. C'est une représentation en deux dimensions. L'axe vertical
représente l'axe du micro et le centre du diagramme correspond à la position de la capsule.
Une source sonore placée dans l'axe émet un son à une certaine fréquence. On mesure alors
un signal à un certain niveau (en dB). Si on tourne le micro autour de sa capsule, on change
sa direction par rapport à la source sonore et on peut toujours mesurer le niveau du signal.
Le tracé du diagramme correspond donc à la sensibilité du micro à une source sonore selon
sa position. Dans le cas d'un micro omnidirectionnel, ce diagramme est un cercle autour de
la capsule.
Illustration 41: Diagramme polaire d'un micro omni.
•
Les microphones directionnels :
Ces micros sont conçus pour focaliser la prise de son à l'avant de la capsule. Cela évite de
capter les réverbérations et l'ambiance d'une salle et permet d'isoler le son provenant d'un
seul instrument placé aux milieux d'autres. La capsule présente des ouvertures externes et
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 62.
des passages internes qui laisseront passer des sons de certaines fréquences des deux cotés
de la membrane ou de l'électrode. Les différences de phases entre ces sons les empêchent de
faire bouger le diaphragme. La sensibilité du micro variera donc avec la position de la
source sonore. Cette sensibilité est décrite par le diagramme polaire et permet de distinguer
plusieurs types de directivités : cardioïde, hypercardioïdes et bidirectionnels.
•
Les micros cardioïdes : Cette directivité permet de réduire dans une large bande de
fréquences les sons arrivant à l'arrière du micro. Les sons venant des cotés sont
aussi atténués. Le diagramme polaire du micro est un tracé qui ressemble à un
coeur.
Illustration 42: Diagramme polaire d'un micro cardio.
•
Les micros hypercardioïdes : Ce type de directivité permet d'atténuer dans une
large bande de fréquence les sons provenant des cotés du micro. Les sons provenant
de l'arrière seront atténués, mais un peu moins efficacement qu'avec un cardioïde.
Illustration 43: Diagramme polaire d'un micro hyper-cardio.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 63.
•
Les micros bidirectionnels : Ces micros captent aussi bien les sons à l'avant qu'à
l'arrière du micro pour une large bande de fréquences. Les sons hors de l'axe du
micro sont atténués. Le diagramme polaire dessine une « figure en huit ». Ces micros
sont donc aussi appelés de cette façon (ou « figure eight »).
Illustration 44: Diagramme polaire d'un micro bi-directionnel.
5.1.5 Réponse en fréquence.
Les différences de conception entre les micros causeront aussi des différences de sensibilité en
fonction des fréquences des sons captés. Un micro présentera une limite de sensibilité dans les
fréquences aiguës ainsi que dans les fréquences graves. La réponse en fréquence d'un micro
correspond à la bande de fréquence qu'il peut capter, à sa bande passante.
On parle de réponse uniforme pour les
micros permettant de capter tous les sons
audibles, de 20 Hz à 20 kHz, avec la même
sensibilité. Ces micros sont précis et restitue
le plus fidèlement possible un son venant
d'une source sonore. Attention toutefois à
vérifier la directivité de ces micros puisque
leur réponse peut varier selon la direction de
la capsule par rapport à la source. Lorsqu'on
analyse le signal d'un bruit blanc capté par un
micro à réponse uniforme, on retrouvera dans
le spectre du signal toutes les fréquences du Illustration 45: Réponse en fréquence d'un SM58.
bruit blanc avec le même niveau. Les sondes
de pression sont un bon exemple de micro à
réponse uniforme.
On parlera de réponse spécifique lorsque la conception des micros entraîne une variation de
sensibilité selon la fréquence. Nos oreilles amplifient naturellement une bande de fréquence entre 2
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 64.
et 4 kHz. Tout comme elles, certains micros ont des diaphragmes, des capsules, ou une conception
qui augmentent ou diminuent sa sensibilité en fonction de la fréquence. Lorsqu'on capte le signal
d'un bruit blanc par ces micros, le spectre analysé dessine une courbe de réponse en fréquence qui
présente des bosses pour les fréquences amplifiées et des creux pour les fréquences diminuées. Le
microphone agit comme un filtre, de la même façon qu'un obstacle au son qui est un filtre passe bas.
Les réponses spécifiques des micros sont renseignées par les fabricants. Elles donnent une idée
théorique des signaux pour la prise de son de certaines sources.
5.1.6 Quelques micros fréquemment utilisés.
Par habitude la prise de son live utilise le plus souvent des micros dynamiques directionnels
car ils sont robustes et permettent d'isoler la source sonore de l'ambiance et du système de diffusion.
Voici les caractéristiques techniques de quelques micros fréquemment rencontrés sur les scènes.
Elles donnent une idée de l'utilisation typique de ces micros. Mais il n'existe pas de recette miracle
pour une bonne prise de son. C'est une liste non-exhaustive. Ce ne sont pas forcément les meilleurs
du marché mais ils sont populaires.
•
AKG D112 : Micro dynamique cardioïde à large diaphragme. Sa réponse en fréquence
spécifique permet de capter une large bande de fréquences qui va de 20 Hz à 17 kHz, avec
deux bosses de 3dB vers 100 Hz, 4 kHz et 10 kHz, qui permette de capter en mettant une
emphase sur les transitoires et les graves d'une grosse caisse ou d'une basse.
Illustration 46: AKG D112.
•
Shure SM58 : Micro dynamique cardioïde. Sa réponse en fréquence va de 50 Hz à 15 kHz
et présente une atténuation en dessous de 100 Hz et une ample bosse de 5 dB pour une
bande qui va de 3 à 7 kHz. Sans doute le micro le plus utilisé sur le terrain. La bosse de sa
réponse dans les aigus permet d'améliorer l'intelligibilité d'une voix captée. L'atténuation des
basses fréquence permet de réduire les bruits issus du maniement du micro. Sa directivité de
type cardioïde permet de bien isoler la voix des sons d'ambiances. Attention néanmoins aux
chanteurs débutants qui recouvreront de leurs mains la capsule : ils obstruent les ouvertures
extérieures ce qui change la directivité. Le micro devient omnidirectionnel, ce qui peut
provoquer des larsens. C'est une évolution technique du Shure SM57 car la capsule est
recouverte d'un « windscreen », un pare-vent qui réduit les bruits liés aux souffles des
instruments à vent et de la voix.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 65.
Illustration 48: Shure SM58.
•
Sennheizer MD421 : Micro dynamique cardioïde. Réponse en fréquence allant de 30 Hz à
17 kHz avec une bosse de 4 dB allant de 4 kHz à 6 kHz. Voici encore un micro dynamique
fréquemment rencontré sur les scènes pour repiquer des guitares ou des toms. Sa circuiterie
permet de changer sa réponse en fréquence. C'est un « bass rolloff », un filtre qui réduit les
basses fréquences. La position M (music) n'altère pas sa courbe de réponse tandis que sa
position S (speech) réduit la sensibilité aux basses fréquences et est mieux adaptée à la voix.
Illustration 47: Sennheizer MD421.
•
Behringer B-1 : Micro à condensateur cardioïde. Réponse allant de 20 Hz à 20 kHz, avec
une bosse de 10 dB dans les 10 kHz et donc une emphase dans les aigus. Ce micro à
condensateur est plus sensible au son et permettra d'enregistrer des instruments acoustiques
à un niveau de base plus élevé et avec plus d’aigu qu'avec un micro dynamique. Si on
l'utilise sur une source sonore plus puissante on activera un filtre intégré dans la circuiterie
qui réduira le signal de 10 dB et évitera les distorsions.
Illustration 49: Behringer B1.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 66.
•
Rode NT5 : Micros à condensateurs cardioïdes. Ces micros sont vendus par paire et
présentent des réponses théoriquement identiques, ce qui permet d'effectuer des prises de
son en stéréo. On les utilisera en position « overhead » au dessus de la batterie par exemple.
Leurs réponses en fréquence vont de 20 Hz à 20 kHz avec une atténuation de 3 dB pour les
graves en dessous de 100 Hz et une emphase de 2 dB dans les aigus, de 6kHz à 12 kHz.
Illustration 50: Rode NT5.
•
Shure Beta91 : Micro à condensateur cardioïde. Ce type de micro est aussi appellé micro
PZM et repose sur une surface. Cela permet au son parvenant à la capsule d'être mélangé
avec le son réfléchi par la surface et par déphasage d'éliminer beaucoup des bruits
d'ambiances et d'établir une directivité cardioïde au dessus de la surface. Le Beta91 a une
réponse en fréquence qui va de 20 Hz à 20 kHz avec une forte emphase de 6 à 8 dB pour des
fréquences aiguës de 6 kHz à 10 kHz. Il est souvent placé à l'intérieur même de la grosse
caisse en complément d'un AKG D112 afin de reproduire l'attaque aiguë de l'instrument plus
facilement.
Illustration 51: Shure Beta91.
5.2
La table de mixage :
Tous les signaux électriques captés par les micros sont mélangés, mixés, dans la table de mixage.
Elle permet d'adapter les différents niveaux des signaux afin de créer une balance permettant la
restitution sur le système de toutes les sources sonores à amplifier.
D'apparence complexe, la console de mixage peut être subdivisée en plusieurs parties. Elle
comprend un élément, une tranche, qui se répète autant de fois qu'il y a d'entrées disponibles : c'est
une piste. Chaque piste, présentera une entrée, un potentiomètre de gain, des égaliseurs atténuant
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 67.
ou augmentant certaines fréquences du signal, une série de dérivations et de potentiomètres
permettant d'envoyer le signal aux sorties de la table de mixage, le plus important d'entre tous étant
sans doute le fader vertical. Les entrées sont souvent de deux type : MIC (microphone) ou LINE
(ligne).
5.2.1 Entrées lignes, entrées micros.
Les entrées lignes ou LINE présentent des connectiques de
types Jack. Les niveaux des signaux sont plus important que
ceux délivrés par un microphone. Un lecteur de CD « de salon »
ou la sortie ligne d'un PC par exemple, présentera un niveau de
sortie de -10 dBV (0,316 VRMS). Une platine avec un niveau
ligne « pro » pourra délivrer un signal de +4 dBu (1,736 VRMS).
Le jack utilisé pour acheminer le signal présente deux contacts :
l'un correspond à la masse (la tension de référence ou mise à la
terre, ground, GND), l'autre, à la pointe de la prise, au signal
proprement dit.
Ces entrées présentent une haute impédance (autour de 10
kΩ). Par opposition, les sorties doivent être de faible impédance
afin que le signal soit bien transmis. La longueur du câble jack
utilisé à donc une importance quant à la qualité du signal
transmis. Plus le câble est long, plus on ajoute de résistance au
signal de sortie. On considère qu'un câble Jack de plus de 3
mètre détériore déjà le signal dans les aigus et est vulnérable Illustration 52: Prise Jack.
aux interférences électromagnétiques. Les transformateurs,
câbles électriques et écrans ajouteront du bruit au signal.
Illustration 53: Prise XLR.
Les entrées micros ou MIC permettent de
recevoir les signaux plus faibles délivrés par les
micros. Elles présentent des connectiques de type
XLR. Les câbles XLR sont conçus pour acheminer
des signaux sur de longues distances et réduire les
interférences lors du trajet. Ils présentent trois
contacts et permettent d'acheminer un signal
symétrique, balancé (balanced). On a en fait un
signal et sa copie en anti-phase dans le câble. Le
circuit de l'entrée micro permet de réunir les deux
signaux et d'annuler les bruits.
Illustration 54: Signal balancé.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 68.
Les trois contacts du XLR correspondent donc à la masse (1), au signal (signal « chaud »,
« hot », « + » ; 2) et à la copie en anti-phase du signal (signal « froid », « cold », « - » ; 3). La prise
XLR s'insère dans l'entrée MIC et un petit mécanisme de blocage mécanique permet de la maintenir
en place. Les XLRs permettent aussi d'alimenter les micros à condensateur. La table peut utiliser le
même cable pour faire parvenir au micro l'alimentation fantome, le courant continu de 48V.
D'autres types de signaux, comme les signaux DMX des consoles lumières, utilisent des des prises
XLR. Les câbles DMX n'ont toutefois pas la même impédance que les câbles XLR. Evitez de les
confondre sous peine de détériorer le son. Les câbles XLR se terminent par des prises « Neutrik ».
5.2.2 Les sorties.
La table de mixage permet de sortir les signaux vers le système de diffusion du son. Le nombre
de sorties dépend du modèle. On trouvera sur toutes les bonnes tables deux sorties principales L et
R (left et right) envoyant les signaux mixés, le mix, en STEREO du canal gauche et du canal droit
vers le système de diffusion. Les prises de ces sorties sont généralement des XLRs mâles et le
signal sortant est de niveau ligne (+4 dBu). Le mix de la table atteins donc un niveau comparable
au signal d'un synthé ou d'une platine CD. En plus de cette sortie principale, certaines consoles
permettent d'envoyer un signal MONO. Les canaux gauche et droits sont envoyés sur une seule
ligne, le canal central C. Cette sortie est utile pour envoyer du signal à un caisson de basse, par
exemple.
Les tables présente aussi d'autres sorties, les sorties auxiliaires (BUS AUX) et les sorties
groupes (BUS GROUP). Elles permettent d'envoyer des versions alternatives du mix et sont
utilisées pour permettre aux musiciens sur scène d'entendre leur instrument mixé dans les enceintes
de retour, ou d'envoyer une partie du mix vers un module d'effet (une reverb, un delay, un chorus).
Les connectiques peuvent être de type XLR ou Jack selon le modèle de la table. Le signal est de
niveau ligne.
On trouvera aussi une sortie MONITOR pour les casques d'écoute. Elle présente une
connectique Jack stereo.
5.2.3 Les pré-amplificateurs, le gain, le bouton de phase.
Après les entrées, la table présente une première étape de traitement, un premier étage
d'amplification. Le but ici est d'amener les signaux à des niveaux proche du niveau ligne, à +4
dBu. Le préamplificateur est un amplificateur électronique qui idéalement génère peu de bruit.
L'augmentation est commandée par un « potard » de gain (ou « trim »), un potentiomètre gradué
que l'on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. On peut ainsi augmenter le niveau d'une
soixantaine de dB.
La plupart des tables de mixages permettent de mesurer
le signal amplifié grace à un VU-mètre ou un peakmeter. Le VU-mètre est une aiguille dans un cadran qui
se déplace de gauche à droite en fonction du niveau du
son. Le peak-meter est une échelle constituée d'une suite
de petites lampes LED qui s'allument, aussi en fonction du
niveau du son. Le cadran ou l'échelle des mètres sont
gradués et on amènera grâce au préampli les pics du
signal à des niveaux proches du 0 (correspondant à +4
Illustration 55: VU-mètre.
dBu).
Si le signal est le son que capte un micro en face d'une caisse claire, on demandera au musicien
de frapper sur sa caisse claire. Si c'est le signal du micro du chanteur, on demandera à celui-ci de
chanter un refrain, ou de parler à voix haute. N'hésitez pas à bien expliquer cette étape du
soundcheck aux artistes qui peuvent parfois devenir subitement timide, surtout si le public est déjà
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 69.
présent.
On retrouve aussi dans cette section de la table le bouton de
phase permettant d'intervertir la polarité d'un signal afin de régler
les éventuels problèmes de phase entre deux signaux captant la
même source sonore.
A cette étape du traitement on peut se retrouver souvent face à
deux problèmes :
•
Le signal est trop faible, le gain est tourné à fond, ajoute du
bruit, et le signal n'est toujours pas visible sur le mètre.
Réduisez tout de suite le gain, vérifiez votre câblage,
assurez-vous que le micro ne nécessite pas d'alimentation
fantome. Rapprochez le micro de la source, ou changez de Illustration 56: Gain.
micro.
•
Le signal est trop fort. L'aiguille du VU-metre est dans le rouge ou les LEDs du peak-meter
s'allument comme un sapin de noël. Réduisez tout suite le gain. La tension du signal est trop
importante pour le circuit de la table. Le signal est tronqué, saturé. Si cela ne suffit pas, la
plupart des tables présente un bouton appelé « pad » ou « -20 dB » qui réduit le signal à
l'entrée. Si ce n'est toujours pas suffisant, éloignez le micro de la source sonore, s'il a
survécu. Ou si cela concerne l'entrée ligne d'un synthé ou d'une platine de DJ, demandez
leur de diminuer le volume de leur sortie ligne.
Une piste de la table peut proposer une sortie directe (DIRECT OUT) à cette étape du mixage.
Ce type de sortie permet d'envoyer le signal de la piste sans être mixé avec les autres et est parfois
utilisé pour enregistrer les instruments séparément, par exemple. Les connectiques sont de type Jack
au niveau ligne (après le gain).
5.2.4 Les faders, le routing, les envois.
Chacune piste et chaque sortie de la table est commandée par un fader sur la
table de mix. Le fader est un potentiomètre vertical dont le rôle principal est
d'atténuer le signal. La position normale est atteinte lorsque le fader est levé au
niveau de la graduation 0. Le fader laisse alors passer le signal vers la sortie.
Lorsque le fader est abaissé (au niveau -∞), le signal est coupé.
Juste au dessus du fader, on retrouve généralement le bouton de coupure
(MUTE ou ON). En appuyant sur celui-ci, le signal est coupé, la piste est muette.
Le bouton dispose généralement d'un petit indicateur lumineux, généralement
allumé lorsque le MUTE est enclenché.
Les faders associés aux sorties principales de la table sont généralement
disposés tout à droite sur la console. Ils sont nommés L, R et C. L et R sont parfois
regroupé en un seul fader unique appelé MASTER. Sur la gauche de ceux-ci se
trouvent généralement les faders associés aux sorties auxiliaires et aux groupes et
sont appelés AUX, BUS ou GROUP.
Les faders associés aux pistes sont situés dans le prolongement de chaque
« tranche » de la table, et sont numérotés. Ils sont utilisés pour mixer les signaux. A
coté de ces faders, on retrouvera toute une série de petits boutons qui permettent
d'assigner une sortie au signal (routing).
•
Le bouton L+R permettra d'acheminer le signal vers les canaux gauche et Illustration
droit. Il sera donc aussi dépendant des faders L, R, C ou MASTER.
57: Fader.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 70.
•
Les boutons numérotés permettent de router le signal vers la sortie BUS ou GROUP
correspondante, et il sera donc aussi dépendant du fader associé au BUS ou au GROUP. On
pourra grouper plusieurs pistes ensemble et les asservir à un seul fader. C'est utile pour
mixer l'ensemble de la batterie avec les autres instruments par exemple. Tous les faders de
tout les micros placés sur la batterie sont groupés en un seul fader final.
•
Au dessus des faders des pistes, on retrouvera un potentiomètre de panoramique (PAN) qui
règle le niveau de sortie relatif aux canaux gauche et droit. Lorsque le potard est réglé sur le
milieu (à midi), le signal est envoyé au même niveau au canal L et au canal R. S'il est réglé
tourné tout à gauche (à 8h), le signal est envoyé uniquement au canal gauche avec une petite
amplification de 3 dB. S'il est réglé tourné tout à droite (à 4h), le signal est envoyé
uniquement au canal droit avec +3 dB.
•
On trouvera finalement aussi un bouton pour assigner le signal à la sortie MONITOR, pour
écouter au casque la piste de manière indépendante du mix. Ce bouton est nommé PFL (prefader listening), AFL ou SOLO (after fader listening). Ce bouton permet aussi surtout de
router le signal vers le VU-mètre ou le peak-meter et sera utilisé lors du réglage du gain de
la piste.
5.2.5 Les égaliseurs.
Chaque piste présentera une série de potentiomètres d'égalisation (égaliseurs, EQs). Cette
section de la table divise le signal en plusieurs bandes de fréquences correspondant aux graves, au
médiums et aux aigus et permet de corriger le timbre en ajustant les niveaux de chacune des bandes.
•
HPF : High pass filter, filtre passe haut, appellé aussi low cut filter ou coupe bas. C'est le
premier filtre d'égalisation, situé près du potard de gain. Il permet de se débarrasser des
graves, en dessous de la fréquence de coupure du filtre. À la fréquence de coupure (100 Hz
p.e.) on a une déjà une petite réduction de 3 dB. À 50 Hz on aura une réduction de 6 dB ; à
25 Hz, -12 dB ; 12,5 Hz, -18 dB. Bref on a une réduction de 6 dB par octave. D'autre filtres
plus performants permettent une diminution plus forte de 12, 18, 24 dB / octave, on parle
alors de filtres d'ordre 2, 3, 4... Ces filtres sont utilisés sur des pistes pour lesquelles les
fréquences graves en dessous de 100 Hz ne sont pas importantes, comme les voix, les
guitares, et permettent de se débarrasser des bruits graves issus de la manipulation du micro
(le rumble).
Illustration 58: Réponse en fréquence d'un HPF.
•
LPF : Low pass filter, filtre passe bas, appellé aussi high cut filter ou coupe haut. Retrouvé
parfois sur certaines tables, il fait le boulot inverse du HPF et ne laisse passer que les
fréquences en dessous de la fréquence de coupure. On utilisera cet EQ pour une basse par
exemple afin de se débarrasser des bruits aigus des frottements sur les cordes. On peut
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 71.
obtenir ce même type d'effet sans électronique, en opposant à la propagation du son un
obstacle dont les dimension sont égales à la longueur d'onde correspondant à la fréquence de
coupure.
•
BPF : Band pass filter, filtre passe bande. Ce filtre comprend à la fois un HPF et un LPF. Il
élimine les fréquences en dessous et au dessus de leurs fréquences de coupure. Nos oreilles
sont des BPFs filtrant les graves en dessous de 20 Hz et les aigus au dessus de 20 kHz.
•
Low shelf : Ce filtre mélange le signal d'un LPF au signal originel. Il est utilisé pour
augmenter ou réduire les graves en dessous d'une certaine fréquence. Le filtre est contrôlé
par un potard de niveau. A midi, le potard est sur 0 dB, le filtre est inactif. Si on le tourne
tout à droite, à +12 ou +18 dB, on amplifie les fréquences graves, on additionne le signal
filtré par le LPF au signal normal. A l'inverse, si on le tourne à gauche, à -12 ou -18 dB, on
réduit les fréquences graves (on mixe le signal filtré par le LPF en anti-phase au signal
normal). On ne parle plus ici de fréquence de coupure, mais de fréquence d'articulation.
Elle varie selon la table mais se situe généralement autour de 300 Hz. On peut considérer les
fréquences entre 0 et 300 Hz comme les fréquences graves du timbre.
Illustration 59: Réponse en fréquence d'un low shelf.
•
High shelf : Ce filtre fait le même boulot qu'un low shelf, mais pour les fréquences
supérieures à sa fréquence d'articulation. Il permettra d'augmenter ou d'atténuer les aigus
au dessus de 8 à 10 kHz et sera utile pour modifier le timbre des cymbales ou de la voix (les
sifflantes).
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 72.
•
Bell filter : Filtre en cloche. On mélange au signal normal un signal filtré par un BPF. Il
permet d'atténuer ou d'augmenter toute une bande de fréquence. Il permet donc de corriger
les bosses de résonance ou d'en créer dans le signal. On trouvera selon la table des bell
filters pour des bandes de 300 Hz à 1 kHz (les bas mediums), de 2 à 5 kHz (les hauts
mediums, la présence).
Illustration 60: Réponse en fréquence d'un bell filter.
•
Filtres semi-paramétriques : On rencontre aussi parfois des filtres avec un potard
supplémentaire. Il permet de choisir la fréquence de coupure ou d'articulation. Ce type de
filtre permet de faire un balayage (sweep) des fréquences et de chercher de manière précise
dans le spectre la bande à augmenter ou atténuer.
•
Filtres paramétriques : Certains EQs plus couteux présentent aussi un troisième potard,
appellé Q, ou facteur de qualité. Ce potard permet de jouer sur l'ordre du filtre. C'est à dire
de modifier la raideur de la pente d'un HPF ou d'un LPF. Ou de modifier la largeur de la
bande d'un BPF.
Illustration 61: Réponse en fréquence d'un bell filter paramétrique.
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 73.
Table des matières
1 Notions fondamentales................................................................................................................1
1.1 Aspects objectifs et quantifiables des sons...........................................................................1
1.2 Rappels de mécanique..........................................................................................................1
1.3 Nature et propagation du son...............................................................................................4
1.3.1 Exemple 1 : Une conversation......................................................................................4
1.3.2 Exemple 2 : Analogie avec les ondes de surface..........................................................5
1.3.3 Exemple 3 : Transmission du son dans les milieux solides..........................................5
1.4 Description du mouvement d'une source sonore..................................................................6
1.4.1 L'oscillateur libre..........................................................................................................6
1.4.2 Oscillateur forcé...........................................................................................................7
1.4.3 Oscillation d'une corde.................................................................................................8
1.4.4 Oscillations des plaques et des membranes................................................................11
1.4.5 Caisson de résonance, ondes de pression dans un tuyau............................................11
2 Grandeurs physiques décrivant les ondes sonores.....................................................................13
2.1 L'amplitude.........................................................................................................................13
2.1.1 La forme d'onde..........................................................................................................13
2.1.2 Pression acoustique instantanée.................................................................................14
2.1.3 Pression acoustique efficace.......................................................................................14
2.1.4 Intensité et puissance acoustique................................................................................15
2.1.5 Échelle relative et logarithmique : le décibel.............................................................15
2.1.6 Atténuation.................................................................................................................17
2.2 La fréquence.......................................................................................................................19
2.2.1 Fréquence, longueur d'onde et période.......................................................................19
2.2.2 Hauteur du son............................................................................................................20
2.2.3 Timbre, spectre...........................................................................................................22
2.3 La phase.............................................................................................................................26
2.3.1 Déphasage et interférences.........................................................................................26
2.3.2 Phase...........................................................................................................................28
2.3.3 Problème du déphasage : Interférence destructrice....................................................29
2.3.4 Interférences de phase des sons complexes, filtre en peigne.....................................30
2.3.5 Gestion du déphasage, de l'antiphase : inversion de phase........................................31
2.3.6 Ligne à retard, delay et effets.....................................................................................32
2.3.7 Mesure du déphasage, goniomètre.............................................................................32
2.3.8 La directivité des sources sonores..............................................................................33
2.4 La durée..............................................................................................................................35
2.4.1 Familles d'instruments, types d'oscillations...............................................................35
2.4.2 Dynamique d'un son : l’enveloppe temporelle...........................................................35
2.4.3 Spectrogramme, sonogramme....................................................................................39
3 Notions d'acoustique architecturale...........................................................................................40
3.1 Acoustique géométrique.....................................................................................................40
3.1.1 La réflexion et la diffraction du son...........................................................................40
3.1.2 Effet de filtre passe-bas :............................................................................................41
3.1.3 Diffusion du son.........................................................................................................42
3.1.4 Absorption du son.......................................................................................................42
3.1.5 Réflexions des ondes de basse fréquence...................................................................43
3.1.6 Focalisations...............................................................................................................44
3.2 Acoustique ondulatoire......................................................................................................44
3.2.1 Onde stationnaire entre deux parois...........................................................................44
3.2.2 Résonance et modes propres d'une pièce...................................................................45
Physique acoustique – La chaîne du signal. - Page 74.
3.3 Echos..................................................................................................................................46
3.3.1 Echo lointain, échos multiples, échos tournants.........................................................46
3.3.2 Echos « flutter ».........................................................................................................46
3.4 Réverbération.....................................................................................................................47
3.4.1 Expérience de Sabine.................................................................................................47
3.4.2 Temps d'extinction RT60............................................................................................48
3.4.3 Distance critique.........................................................................................................48
3.4.4 Critères de qualité acoustique.....................................................................................48
4 La perception auditive...............................................................................................................50
4.1 Description anatomique de l'oreille....................................................................................50
4.1.1 L'oreille externe..........................................................................................................50
4.1.2 L'oreille moyenne.......................................................................................................51
4.1.3 L'oreille interne...........................................................................................................51
4.1.4 La proprioception et le toucher...................................................................................52
4.2 L'oreille moyenne statistique.............................................................................................52
4.2.1 Fréquences : bande passante de l'oreille.....................................................................52
4.2.2 Amplitude : seuils d'audibilité et de douleur..............................................................53
4.2.3 Sonie et courbes isosoniques......................................................................................54
4.3 Interprétations cognitives des sons.....................................................................................55
4.3.1 Analyse différentielle, la perception des nuances et des hauteurs..............................55
4.3.2 Appréciation du timbre...............................................................................................55
4.3.3 Bruits et effet de masque............................................................................................55
4.3.4 Localisation binaurale, monaurale, spatiale, effet de précédence..............................56
4.3.5 Écoute critique : apprentissage, concentration...........................................................57
4.3.6 Surdité et fatigue auditive...........................................................................................58
5 La chaîne du signal....................................................................................................................60
5.1 Les microphones................................................................................................................60
5.1.1 Les micros dynamiques..............................................................................................60
5.1.2 Les micros électrostatiques, à condensateur...............................................................60
5.1.3 Microphone à électret.................................................................................................61
5.1.4 Sensibilité, directivité, diagrammes polaires..............................................................61
5.1.5 Réponse en fréquence.................................................................................................64
5.1.6 Quelques micros fréquemment utilisés......................................................................65
5.2 La table de mixage :...........................................................................................................67
5.2.1 Entrées lignes, entrées micros....................................................................................68
5.2.2 Les sorties...................................................................................................................69
5.2.3 Les pré-amplificateurs, le gain, le bouton de phase...................................................69
5.2.4 Les faders, le routing, les envois................................................................................70
5.2.5 Les égaliseurs.............................................................................................................71
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