3.1. L’acoustique pour la théorie de la musique

La musique est un son organisé par des personnes dans un but précis, pour danser dessus, pour raconter une histoire, pour faire ressentir un certain sentiment à d’autres personnes, ou simplement pour être joli ou divertissant. La musique est organisée à de nombreux niveaux différents. Les sons peuvent être organisés en mélodies, harmonies, rythmes, textures et phrases. Les battements, les mesures, les cadences et les formes contribuent tous à l’organisation et à la compréhension de la musique. Mais la façon la plus élémentaire d’organiser la musique est d’arranger les ondes sonores elles-mêmes, afin que les sons soient intéressants et agréables et qu’ils aillent bien ensemble.

Il s’agit d’un rythme, d’une organisation, d’un rythme et d’une phrase.

Un ensemble rythmé et organisé de bruits sourds et de fracas est une musique parfaitement bonne – pensez à votre solo de batterie préféré – mais de nombreux instruments de musique sont conçus spécifiquement pour produire les ondes sonores régulières et uniformément espacées que nous entendons comme des hauteurs particulières. Les crashs, les bruits sourds et les bangs sont des mélanges forts et courts de nombreuses longueurs d’onde différentes. Ce sont les types de sons que nous appelons souvent “bruit”, lorsqu’ils sont aléatoires et désorganisés, mais dès qu’ils sont organisés dans le temps (rythme), ils commencent à ressembler à de la musique. (Lorsqu’il est utilisé comme terme scientifique, le bruit fait référence à des sons continus qui sont des mélanges aléatoires de différentes longueurs d’onde, et non pas à des fracas et des bruits sourds plus courts.)

La musique, c’est la musique.

Cependant, pour obtenir le type de sons mélodiques plus souvent associés à la musique, les ondes sonores doivent elles-mêmes être organisées et régulières, et non des mélanges aléatoires. La plupart des sons que nous entendons sont amenés à nos oreilles par l’air. Le mouvement d’un objet provoque une perturbation du mouvement normal des molécules d’air à proximité de l’objet. Ces molécules perturbent à leur tour d’autres molécules proches, qui sortent de leur schéma normal de mouvement aléatoire, de sorte que la perturbation elle-même devient une chose qui se déplace dans l’air – une onde sonore. Si le mouvement de l’objet est une vibration rapide et régulière, alors les ondes sonores sont également très régulières. Nous entendons ces ondes sonores régulières comme des tones, des sons avec une hauteur particulière. C’est ce type de son que nous associons le plus souvent à la musique, et que de nombreux instruments de musique sont conçus pour produire.

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Les musiciens ont des termes qu’ils utilisent pour décrire les tonalités. (Les musiciens ont également d’autres significations pour le mot “ton”, mais ce cours s’en tiendra à la signification “un son avec une hauteur”). Ce type d’onde (régulière et régulièrement espacée) est cependant utile pour d’autres choses que la musique, c’est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs ont également des termes qui décrivent les ondes sonores aiguës. Comme nous parlons de l’origine de la théorie musicale, il sera très utile de connaître à la fois les termes scientifiques et les termes musicaux et la façon dont ils sont liés les uns aux autres.

Par exemple, plus ces ondes uniformément espacées sont rapprochées, plus la note sonne aiguë. Les musiciens parlent de la hauteur du son, ou nomment des notes spécifiques, ou encore parlent d’accordage. Les scientifiques et les ingénieurs, quant à eux, parlent de la fréquence et de la longueur d’onde du son. Tous parlent essentiellement des mêmes choses, mais en parlent de manière légèrement différente, et l’utilisation des idées scientifiques de la longueur d’onde et de la fréquence peut aider à clarifier certaines des idées principales qui sous-tendent la théorie musicale.

Les ondes longitudinales et transversales

Alors, de quoi parlons-nous lorsque nous évoquons les ondes sonores ? Les ondes sont des perturbations ; ce sont des changements dans quelque chose – la surface de l’océan, l’air, les champs électromagnétiques. Normalement, ces changements se déplacent (sauf pour les ondes stationnaires) ; la perturbation s’éloigne de ce qui l’a créée, dans une sorte d’effet domino.

La plupart des types d’ondes sont des ondes transversales. Dans une onde transversale, alors que l’onde se déplace dans une direction, elle crée une perturbation dans une direction différente. L’exemple le plus familier de ce phénomène est celui des vagues à la surface de l’eau. Lorsque la vague se déplace dans une direction, par exemple vers le sud, elle crée un mouvement de haut en bas (et non du nord au sud) à la surface de l’eau. Ce type de vague est assez facile à dessiner : une ligne allant de gauche à droite présente des ondulations de haut en bas. (Voir la figure 3.2.)

Figure 3.2. Ondes transversales et longitudinales

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Mais les ondes sonores ne sont pas transversales. Les ondes sonores sont des ondes longitudinales. Si les ondes sonores se déplacent vers le sud, la perturbation qu’elles créent donne aux molécules d’air un mouvement supplémentaire du nord au sud (et non de l’est à l’ouest, ou du haut au bas). Si la perturbation provient d’une vibration régulière, le résultat est que les molécules finissent par être comprimées pour former des vagues uniformément espacées. Ceci est très difficile à montrer clairement dans un diagramme, donc la plupart des diagrammes, même les diagrammes d’ondes sonores, montrent des ondes transversales .

Les ondes longitudinales peuvent également être un peu difficiles à imaginer, car il n’y a pas d’exemples que nous pouvons voir dans la vie de tous les jours (à moins que vous aimiez jouer avec des slinkies jouets). Une description mathématique pourrait être la suivante : dans le cas des ondes longitudinales, les ondes (les perturbations) se trouvent sur le même axe que la direction du mouvement de l’onde ; les ondes transversales sont perpendiculaires à la direction du mouvement de l’onde. Si cela ne vous aide pas, essayez de vous imaginer comme l’une des particules que la vague perturbe (une goutte d’eau à la surface de l’océan ou une molécule d’air). Lorsqu’elle arrive par derrière, une onde transversale vous soulève puis retombe ; une onde longitudinale venant de derrière vous vous pousse vers l’avant et vous tire en arrière. Vous pouvez voir ici des animations d’ondes longitudinales et transversales, de particules individuelles perturbées par une onde transversale ou par une onde longitudinale, et de particules perturbées par des ondes transversales et longitudinales. (Il y avait également de belles animations d’ondes longitudinales disponibles au moment de la rédaction de cet article sur Musemath.)

Le résultat de ces ondes “avant et arrière” est que le “point haut” d’une onde sonore est là où les molécules d’air sont regroupées, et le “point bas” est là où il y a moins de molécules d’air. Dans un son aigu, ces zones de molécules groupées sont très uniformément espacées. En fait, elles sont si régulières que nous pouvons mesurer et dire certaines choses très utiles à leur sujet. Afin de vous montrer clairement ce qu’elles sont, la plupart des diagrammes de ce cours montreront les ondes sonores comme s’il s’agissait d’ondes transversales .

Amplitude et intensité sonore des ondes

Les ondes transversales et longitudinales provoquent toutes deux un déplacement de quelque chose : des molécules d’air, par exemple, ou la surface de l’océan. La quantité de déplacement à un endroit particulier change au fur et à mesure que la vague passe. S’il n’y a pas de vague, ou si le point est dans le même état qu’il serait s’il n’y avait pas de vague, il n’y a pas de déplacement. Le déplacement est le plus important (le plus éloigné de la “normale”) aux points les plus hauts et les plus bas de l’onde. Dans une onde sonore, il n’y a donc aucun déplacement là où les molécules d’air ont une densité normale. Le déplacement le plus important se produit là où les molécules sont les plus entassées ou les moins entassées.

Figure 3.3. Déplacement

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L’amplitude de la vague est une mesure du déplacement : quelle est l’ampleur du changement entre l’absence de déplacement et le pic d’une vague ? Les vagues du lac ont-elles une hauteur de deux pouces ou de deux pieds ? Les molécules d’air sont-elles très serrées les unes contre les autres, avec des espaces très vides entre les vagues, ou sont-elles à peine plus organisées qu’elles ne le seraient en rebondissant normalement les unes sur les autres ? Les scientifiques mesurent l’amplitude des ondes sonores en décibels. Des feuilles qui bruissent dans le vent font environ 10 décibels ; un moteur à réaction fait environ 120 décibels

Les musiciens appellent l’intensité sonore d’une note son niveau dynamique. Forte (prononcé “FOR-tay”) est un niveau dynamique fort ; piano est doux. Les niveaux dynamiques ne correspondent pas à un niveau de décibels mesuré. Un orchestre jouant “fortissimo” (ce qui signifie en gros “encore plus fort que forte”) sera beaucoup plus fort qu’un quatuor à cordes jouant “fortissimo”. (Voir Dynamique pour en savoir plus sur les termes utilisés par les musiciens pour parler de l’intensité sonore). La dynamique est plus une question de performance qu’une question de théorie musicale, donc l’amplitude n’a pas besoin d’être beaucoup discutée ici.

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