• Propagation des ondes sonores dans l'air

     

    PHYSIQUE DES ONDES

    ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

    RUBRIQUE N°6

    Propagation des ondes sonores dans l'air Les sons musicaux

     Par Paul Bouchard Le 29/08/2015

     1) INTRODUCTION

    Le phénomène de résonance est le pivot central de la physique des ondes. Il intervient dans l'univers à toutes les échelles, dans les rapports entre les substances les forces et les mouvements, entre la matière et l'énergie. Il explique un grand nombre des processus reliant les substances. Quelque soit le milieu dans lequel l'onde se propage ( air, eau, métal, terre, substance de l'espace au niveau de l'atome et à celui de l'univers), l'onde possède une méthode de propagation qui lui est propre et dont le phénomène de mise en résonance est le moteur.

    Cette affirmation qui correspond à la thèse de notre blog ''eklablog physique des ondes'' est loin d'être une évidence pour la physique théorique standard en cours et en usage dans les milieux scientifiques en ce début du 21ème siècle. La raison en est que depuis la moitié du siècle précédent, c'est la ''physique des particules'' qui est reine, même si les ondes sont tolérées dans le ''harem''.

    Que sera la physique en 2050 ? Forcément celle des ondes, puisque la matière est faite d'ondes. Donc la résonance deviendra une des base du ''raisonnement'' des scientifiques. Tentons ci-dessous de nous en convaincre et de comprendre le rôle de la résonance en physique des ondes en étudiant la propagation des ondes sonores qui se trouvent à notre échelle de structure et d'énergie..

    2) ECHELLE ÉNERGÉTIQUE DES ONDES

    Dans la précédente rubrique, nous avons exposé l'étendue de ces échelles sur le plan de la longueur (distances et longueurs d'ondes). Cette échelle partait du plus petit, la substance de l'espace et l'électron et aboutissait aux confins de l'univers (et à cette même substance). C'est la dimension des structures de l'onde qui était concerné. Nous parlons maintenant de son énergie. Sa fréquence étant proportionnelle à cette énergie et la principale caractéristique des ondes, on doit également prendre conscience de l'étendue de ces fréquences, et en même temps, de l'universalité du phénomène ondulatoire. Pour cela, voici une image extrait de ''vb-audio.pagesperso-orange.fr'' :

     

    Ce schéma montre, pour les fréquences (l'énergie des ondes), un étalement identique à celui des longueurs, mais qui ne correspond pas à celui de la dimension des structures. Notre monde terrestre et classique se trouve sur la gauche, avec les faibles énergies (les ondes dites mécaniques), suivent les ondes énergétiques (radio et lumière). Parmi les ondes hertziennes de très haute fréquence, il faut placer les ondes rotationnelles des particules intra-atomiques au repos dites ''ondes de spin'', que nous avons appelé ''ondes de structure''. Dans les rayons X nous avons placé les électrons, dans les rayons gamma, les débris de nucléons en provenance de la radioactivité naturelle ( de la mort de la matière). Ces mêmes rayons gamma font partie des rayons cosmiques en provenance des étoiles en création (de la création-recyclage de la matière).

    Dans notre blog ''paulpb eklablog.fr'' ( 6 chapitres, 4 post-scriptum et 6 rubriques), nous avons étudié les modifications conceptuelles que nos hypothèses de base apportent à la physique des hautes et très hautes fréquences, c'est à dire aux ondes de type lumière (énergie) et aux ondes électromagnétiques (électrons) (structure et énergie). Ces ondes circulent dans la ''substance de l'espace'' et constituent la matière élémentaire et l'ensemble des relations existant à ce niveau ''quantique'' (N°21 de la rubrique précédente N°5). La portée de notre étude s'est étendue à l'échelle atomique (N°22) de cette rubrique et dans notre étude de la structure du noyau atomique (rubrique N°1). Puis nous avons effleuré l'échelle de la nanophysique au (N°23) et dans l'étude des microscopes électroniques (rubrique N°2).

    3) PROPAGATION DES ONDES SONORES

    31) Introduction

    Dans la présente rubrique nous changeons complètement d'échelle et de milieu de propagation des ondes. Nous passons à l’extrémité gauche du schéma, dans la zone des ondes sonores et infrasonores et dans notre ''milieu'' de vie (air, eau, matériaux solides). En effet, je pense depuis le départ qu'une étude générale des ondes et de leur propagation devait être faite en prenant en compte et en comparant toutes les ondes, quelque soit leur fréquence, leur échelle et leur milieu de propagation.

    Il saute aux yeux que les scientifiques abordent globalement les ondes sonores (dites mécaniques) de façon différente des autres ondes. Ces dernières ont toutes été baptisées électromagnétiques avec une composante transversale ( notre blog ne l'accorde que pour l'électron). Pour les ondes électromagnétiques et de type lumière, le milieu de propagation est négligé, voire supprimé (l'éther inutile), et l'onde est essentiellement énergétique ( le photon, grain d'énergie). L'explication du phénomène porte alors sur des particules ''chargées d'énergie'', au mieux ''associées'' à une onde. C'est la ''pression de radiation'' due à ces fameux photons qui ferait se mouvoir ces ondes. Comme c'est quantique, il n'y a pas de problème. Je n'ai d'ailleurs trouvé aucune définition claire ni aucune étude sérieuse concernant cette dite pression. Elle est parfois confondue avec la gravitation qui possède ce merveilleux pouvoir d'attirer ou de repousser les ''masses''. Mais là, c'est pas quantique, et le problème reste en suspend.

    Dans le cas des ondes sonores, la théorie en cours explique que le mouvement vibratoire des molécules progresse par contact des molécules du milieu existant, ce qui est également ma thèse. Mais la propagation de ce mouvement dans le milieu ne se ferait pas par ''mise en vibration'' de ses molécules (mise en résonance) mais grâce à des oscillations de la pression dans le milieu. La pression constituerait donc le moteur de la progression des ondes sonores. Cette notion de pression, (ici il s'agit de ''pression acoustique'') demeure une des bases des études habituellement menées et, en final, l'explication des phénomènes sonores. Les études et définitions de cette dite pression ne sont pas claires non plus. Il est même question de ''phonon'' ( par souci d'analogie avec le photon).

     Dans les milieux élastiques comme l'air et l'eau, la mise en vibration d'une source sonore crée effectivement une onde de pression dans ce milieu qui ''accompagne'' l'onde sonore, mais il faut se garder de confondre les deux. Cela reviendrait à dire que c'est le ''souffle'' de la bombe dû à l'explosion (l'onde de surpression des molécules d'air) qui constituerait l'onde sonore (le bruit de l'explosion ) et non la mise en vibration des molécules.

    32) Le domaine des ondes sonores

    La transmission des ondes sonores dans les multiples milieux terrestres a une importance considérable pour les êtres vivants et les humains en particulier. La parole, la musique, les bruits (harmoniques ou non) qui se propagent dans l'air et dans l'eau, constituent les ''sons'' les plus courants. La palette des sons audibles par l'homme est très réduite (de 20 Hz à 20 kHz), mais suffisante pour assurer les communications sonores entre humains (en cas de langage commun). Les ultrasons atmosphériques intéressent actuellement les chercheurs dans les domaines de la climatologie et de la détection des explosions (volcaniques, atomiques, etc). Les membranes vibrantes permettent le lien entre les différents types d'ondes (microphones). La recherche de matériaux de construction isolants ou absorbant est à l'origine de progrès considérables dans l'acoustique (et dans les économies d'énergie). Cette branche de la physique (l'acoustique), bien qu'elle soit actuellement ''abandonnée'' aux ''techniciens'', servira certainement de base théorique à une''physique des ondes'' plus développée. Dans ce domaine les mathématique sont pleinement à leur place, notamment les théories des probabilités, statistiques, jeux, etc. La climatologie vue sous l'aspect des ondes ne pourrait-elle pas trouver des solutions à la régulation du climat (désertification, cyclones, inondations), ainsi qu'au réchauffement climatique ?

    33) Définition et propriétés des ondes sonores. Les sons musicaux

    Je ne vais pas reprendre ici toutes les définitions, caractéristiques et propriétés des ondes sonores car leurs bases sont identiques à celles des ondes de type lumière et électromagnétiques, et nous les avons longuement exposées dans le blog. Les liens entre la fréquence, la longueur d'onde, la période et la vitesse de propagation restent les mêmes, sauf que la vitesse dépend des milieux différents dans lesquels l'onde sonore se propage. C'est justement tout l’intérêt de l'étude de ces ondes car leur milieu d'existence nous est directement accessible, contrairement à la substance de l'espace qui nous reste impossible à étudier, puisque nous ne pouvons nous en extraire.

    L'étude de la transmission des ondes sonores dans les différents milieux matériels nous est facilitée par le fait qu'elles peuvent transmettre des ''sons'' que nous pouvons capter directement. Pour définir les ''ondes acoustiques'' et leur mode de transmission, tels que la science en cours les conçoit, je choisis de citer à nouveau des extraits de l'excellent livre de Vincent Boqueho ''toute la physique sur un timbre poste'' :

    << Qu'est-ce que le son ? Il s'agit ni plus ni moins d'une vibration du milieu à l'échelle microscopique. Autant la température est liée au mouvement chaotique des molécules, autant le son est lié à un mouvement plus ordonné de tout un ensemble de molécules....>>

    << Il se crée une succession de surpression et de dépression à mesure que la corde vocale vibre contre les molécules d'air....>>

    << ...une onde représente simplement une oscillation qui a lieu à la fois dans le temps et dans l'espace >>

    <<.....les molécules [d'air] se contentent de vibrer au passage de l'onde, pour revenir ensuite au même endroit.>>

    Dans notre optique, le mot important de ce texte est celui de ''vibration''. Alors que la notion de pression et que le ''mouvement de la pression'' dans le milieu de propagation est le sujet principal des études théoriques habituelles, nous orientons nos explications de la progression des ondes sonores sur la mise en vibration des corpuscules de matière (atomes, molécules, cellules, objets, corps) et sur leur mise en résonance. Par souci de réalisme notre étude des ondes sonores aborde le cas de sons produit par des instruments de musique. En effet l'étude des différents instruments permet de mettre en rapport les éléments essentiels de la création et du développement des ondes sonores.

    Dans cette étude nous allons essayer de rester dans le domaine de l'acoustique, sans tomber dans le domaine purement musical, car celui des sons musicaux est fort complexe. Par l'intermédiaire de notre oreille, c'est notre cerveau qui sert de récepteur, et c'est lui qui interprète ces sons, les assemble suivant des critère qui lui sont propres et qui dépendent des habitudes en cours dans notre société. Actuellement, dans la civilisation occidentale, c'est l'Harmonie, la science des accords, qui, avec le rythme, la mélodie et le timbre, régit tout notre univers musical. Cela signifie que la conception et la fabrication de nos instruments ainsi que la composition de nos œuvres musicales doivent se plier aux exigences de l'échelle diatonique. Ainsi la ''gamme au tempérament égal'' contient 7 ''degrés'', composés de 5 ''tons'' et 2 demi-tons. Les deux demi-tons sont toujours séparés par 2 ou 3 tons, (ils sont situés, l'un entre mi et fa, l'autre entre si et do). Chaque degré porte le nom d'une ''note'' qui va du grave à l'aigu : ''do, ré, mi, fa, sol, la, si, do''. Cette dernière note entame une nouvelle ''octave'' (1, 2, 3, ...) C'est ici que l'on rejoint la physique, car, à chaque note correspond une fréquence exprimée en Hertz. La hauteur du ''LA 3'' étant fixé à 440 Hz.

    Le son est créée par une ''action'' sur une ''source'' ( coup d'archet, de marteau, souffle sur une anche ou un biseau, etc.) qui diffère suivant les instruments ( à corde, à vent, à percussion, etc).

    Il sort de la source un son fondamental appelé ''tonique'' de l’instrument. La transformation de ce son se fait dans le corps de l'instrument par un ''dispositif vibratoire'' (corde, colonne d'air, objet vibrant) qui permet de développer le son fondamental ainsi que les ''harmoniques'' de la tonique. Ainsi la vibration fondamentale se transforme en son musical dans la ''tonalité'' initiale.

    La plupart des instruments à vent permettent de modifier leur tonique et de choisir le ton et le demi-ton correspondant aux ''notes justes'', celles de la partition du compositeur (qui doivent s'accorder avec les autres instruments suivant les règles harmoniques en usage). Cela se fait par des ''dispositifs de réglage de tons'', une série de pistons, d’ouvertures, de clés, de rallonges, etc. Certains instruments sont plus limités (cor de chasse par exemple), les musiciens doivent alors compter sur leur expérience pour ''sonner de concert'' ( bouchage du pavillon, changement d'embouchure, modification de longueur, et transposition de la partition, etc.) Pour les instruments à cordes, il est nécessaire de les accorder avant de jouer grâce aux clés de réglage de ''tension des cordes''. En effet celles-ci sont très sensibles aux changement de température.

    Enfin le corps de l'instrument, qui cadre et supporte le dispositif vibratoire ainsi que celui de réglage, a également comme fonction importante de servir de ''caisse de résonance'', amplifiant tous les sons, certains harmoniques particulièrement, ce qui donne à chaque instrument un ''timbre'' particulier (son boisé, cuivré, clair, sombre, chaud, rond, etc.)

    34) La source ou l'origine des vibrations

    Tous les enfants ayant la chance de vivre à la campagne ont, au moins une fois, placés entre leur deux pouces un brin d'herbe, bien plat et bien tendu. En soufflant dans la fente, un son ''sifflé'' en sort. La hauteur du son (sa fréquence) dépend de la largeur de la fente, mais surtout de l'herbe, de sa tension, de sa nature, de sa finesse, de sa forme. La puissance du sifflet émis dépend de celle du souffle de l'enfant, mais aussi de la forme que l'enfant donne à ses deux mains placées derrière ses pouces, car il peut en faire une sorte de caisse de résonance.

    Tous les instruments à vent possèdent une ''source'' sonore analogue à celle de l'enfant (un biseau, une anche simple ou double, une embouchure) dans laquelle le musicien souffle de l'air pour créer une vibration. Dans le cas des instruments à biseau ( la flûte par exemple), le bec dans lequel on souffle dirige la lame d'air contre le biseau qui, comme l'herbe de l'enfant, coupe l'air en produisant un sifflement. La hauteur du sifflement émis dépend de la dimension du biseau de sa forme, de sa matière, de son épaisseur. L'air est rejeté à l’extérieur, mais la vibration produite se transmet à la colonne d'air située dans le corps de l'instrument dans lequel se crée le véritable ''son'' musical en fonction de la longueur et du réglage du dispositif vibratoire.

    Pour les instruments à anche (clarinette par exemple), le fonctionnement est un peu différent. Dans le bec (ou le pied) du tuyau, l'air comprimé par les lèvres du musicien ( ou par la soufflerie de l'orgue), fait vibrer une languette en roseau appelée "anche". Il en sort un son musical dont la hauteur ( tonique) dépend de la rigidité et de la longueur de la languette. Le reste du tuyau sert surtout de résonateur et de traitement des harmoniques. Le timbre du son produit (sa richesse en harmoniques) dépend de la nature de la languette, de la forme de l'anche, mais aussi de la forme et de la longueur du tuyau résonateur. La puissance du souffle ne change pas la tonique de l'instrument mais peut éventuellement permettre de passer à une octave supérieure.

    Pour les instruments à embouchure comme le cor naturel (cor de chasse par exemple), c'est le musicien lui-même qui, avec seulement ses lèvres, sa langue et son souffle, peut arriver à moduler la hauteur du son (la fréquence de l'onde) pénétrant dans l'instrument. Mais il ne peut changer la tonalité du cor puisqu'il n'existe pas de dispositif de réglage. Le musicien régule assez difficilement avec ses lèvres la puissance du son ( l'amplitude de l'onde).

    Dans les instruments à cordes, la source des vibrations est le frottement de l'archet sur les cordes qui sont tendues sur une caisse de résonance, c'est le cas des différents violons. Ce peut-être également des cordes pincées ou frappées par des petits marteaux ( harpe clavecin et piano).

    Les instruments à membrane ou objet vibrant, aussi différents que les tambours, les xylophones ou les ''bidons'' sont ''à percussion''. Les ''bruits'' ainsi produits sont transformés par les instruments en ''son musicaux'' de par la manière dont ils les font résonner.

    35) De la vibration de la source au son musical. Le dispositif vibratoire

    Nous voici donc amenés à parler de sons musicaux, ce qui est normal puisque les instruments doivent transformer les ''simples vibrations'', que nous venons d'entendre sortir des sources précédemment décrites, en sons musicaux élaborés, avec la bonne ''tonique'' (note fondamentale qui est la base), les harmoniques (multiples entiers de la fréquence de la fondamentale), le timbre spécifique à chaque instrument (dosage du mélange des harmoniques) et la puissance (amplitude) voulue par le musicien. Les règles de base des ondes sonores et de l'acoustique sont les mêmes pour tous les instruments mais leur application diffère suivant le type d'instrument.

    351) Les instruments à cordes Le piano

    Commençons par les cordes car on les ''voit et sent'' vibrer. La mise en vibration par l'archet, par percussion ou pincement d'une corde tendue entre deux points fixes, fournit un son dont la hauteur, l'intensité et le timbre dépendent de lois fondamentales de l'acoustique, applicables en particulier à la corde, celle-ci est concernée comme suit :

    *Sa longueur, plus la corde est longue, plus le son est grave. La hauteur du son montera d'une octave si on raccourcit la corde de moitié (la fréquence est multipliée par deux). Il montera de deux octaves si on la raccourcit des trois quarts.

    *Sa composition (boyau, soie, nylon ou acier), mais surtout son épaisseur qui peut être renforcée par un ''filage'' métallique, simple, double ou triple, ce qui rend le son de plus en plus grave.

    *Sa tension, plus elle est tendue, plus le son est aigu.

    Tout l'art des luthiers et des facteurs de piano consiste à trouver le meilleur équilibre possible entre ces trois facteurs pour chacune des cordes, afin que l'ensemble de l'instrument réponde parfaitement aux règles de l'Harmonie et qu'il puisse avoir la meilleure ''consonance'' avec les autres instruments de l'orchestre ( qu'il joue ''juste''). Ceci est loin d'être évident car chaque corde, si elle vibre principalement suivant sa fréquence fondamentale en émettant sa ''tonique'' propre, émet également les ''harmoniques'' correspondants. Ce sont les multiples entiers de la fondamentale fournie par chaque corde. Le rôle du ''facteur'' de piano est donc de concevoir et fabriquer un instrument qui réalise l'équilibre précédemment indiqué et, en plus, valorise les bons harmoniques et étouffe ceux qui ne ''sonnent'' pas ou mal en consonance. Le musicien choisira ''son'' piano en fonction du ''timbre'' qu'il cherche à donner à sa musique. Ce timbre dépend de la richesse ou de la pauvreté des harmoniques de l'instrument. Le ''son pur'' résonne pratiquement sans harmonique, c'est le cas du diapason dont nous parlerons plus loin. Le tableau ci-dessous montre la complexité du son fourni par une corde (de piano ou d'un autre instrument).

     

    Propagation des ondes sonores dans l'air

    Tableau extrait du site de Piano Tuning How To.com

    http://fr.pianotuninghowto.com/implication-des-harmoniques-dans-laccordage-du-piano/

    Toutefois le pianiste a également à sa disposition une possibilité de réglage permanent par le moyen des pédales du piano. Il peut libérer ou au contraire enfoncer les ''étouffoirs''. Ces derniers ainsi que les marteaux et la tension des cordes demandent une surveillance constante avant chaque concert (rôle de l'accordeur). Le pianiste possède, bien sur, un rôle primordial, mais il n'a pas la possibilité de jouer avec la longueur de la corde vibrante comme le violoniste et de corriger les éventuelles anomalies. Par contre, avec les pédales, il peut, en relevant complètement les étouffoirs, donner de la brillance et de la puissance au son du piano. Dans cette configuration, non seulement les cordes frappées fournissent l'ensemble de leurs harmoniques, mais, par mise en ''résonance'', toutes les cordes, ''à l'octave'' de celles frappées et à l'octave de leurs harmoniques, se mettent en vibration. Ceci est une preuve expérimentale évidente que la progression des ondes sonores se fait bien par ''mise en résonance'' et non grâce aux modification de la pression des molécules d'air comme la théorie qui a cours l'explique. Dans notre thèse, la propagation de ''toutes'' les ondes se fait de manière identique, qu'elles soient de type lumière, électromagnétiques ou sonores.

    352) Les cordes des violons

    L'origine des violons se situe à Crémone autour de 1520 dans la famille Amati. Tout ce que nous avons examiné au sous-chapitre précédent au sujet des lois acoustiques des cordes du piano est valables pour celles des violons. Le dispositif vibratoire est constitué de 4 cordes dont la tension est réglée par des ''chevilles''. Celles-ci fixent et règlent la tension des cordes qui vibrent le long de la ''touche'' entre le ''sillet'' et le ''chevalet''. Ce dernier transmet les vibrations à la table d'harmonie et à l'ensemble de la caisse de résonance que forme le violon (grâce à une petite pièce de bois calée à l’intérieur de la caisse , qu'on appelle l’âme).

    La famille des violons, outre les tailles réduites pour enfants, comporte 4 grandeurs différentes mais identiques dans leur conception. Du son le plus aigu au plus grave, se suivent l'entier, l'alto, le violoncelle et la contrebasse. Les fondamentaux sont les suivants :

     

                                                               Famille du violon

                                  Longueur des cordes                     Fondamentaux des cordes

                                  Violon 33 cm                               mi4 la3  ré3  sol2

                                  Alto 35 cm                                   la3   ré3 sol2 ut

                                  Violoncelle 70 cm                        la2  ré2  sol1 ut1

                                  Contrebasse 100 cm                     sol1 ré1 la0  mi0

    Pour jouer de l'instrument, le violoniste, avec les doigts de sa main gauche, vient appuyer la corde sur la barre de touche de manière à raccourcir la longueur de celle-ci. La nouvelle longueur de corde détermine la hauteur de la note. La même note jouée sur deux cordes différentes sonne avec une couleur différente. Ces différences sont exploitées par le violoniste en fonction de l'effet recherché. Pour le violon, les notes obtenues sont celle de la gamme tempérée, de la manière suivante :

    sol2      ré3     la3     mi4 (fondamentales)

    sol#     ré#     la#     fa

    la         mi      si        fa#

    la#       fa      do      sol

    si         fa#     do#    sol#

    do        sol     ré        la

    do#     sol#    ré#     la#

    ré         la       mi       si

    Ces notes correspondent à la première position des doigts de la main du violoniste, mais celui-ci peut aller dans les plus aigus. Contrairement au pianiste, il a beaucoup de possibilités dans son jeu : Le démanché ( plus aigu), le vibrato, les trilles, le jeu des harmoniques, le jeu sur deux cordes, le pizz (jeu sur une corde pincée), le glissando.

    353) Le dispositif vibratoire des instruments à vent

    Les instruments à vent sont très divers, non seulement, nous l'avons vu, par leurs embouchures,mais aussi par le corps des instruments et leurs dispositifs de réglage. Par contre, le ''dispositif vibratoire'' (l'air, le milieu vibrant) est le même. Il s'agit d'une colonne d'air dont la vibration est semblable à celle d'une corde, et qui en possède donc les mêmes propriétés acoustiques. La différence essentielle réside dans le fait que cette colonne d'air est ''contenue'' dans le résonateur (dans l'instrument) et non fixée à ses extrémités. La longueur de la colonne d'air mise en vibration détermine la hauteur du son (la fondamentale dans le cas de la flûte).

    Voici un très beau dessin de Marc Giacone copié dans ''wikipedia'' ''schema_ tuyau_ sonore.png''

    Propagation des ondes sonores dans l'air

    L’intérêt de ce dessin est de bien montrer le rôle exact de l'air dans le tuyau. Qu'il soit ouvert ou fermé, le tuyau sert de contenant pour la colonne d'air qui est le véritable résonateur, (le métal du tuyau n'est qu'un résonateur accessoire). Il n'est pas question de débit d'air et de pression, comme s'il s'agissait de l'écoulement d'un liquide dans un tuyau, mais de mise en résonance de la colonne d'air. Bien sur, il faut que l'orgue soit équipé d'une soufflerie importante pour alimenter les nombreux tuyaux des divers jeux. De même le musicien, par son souffle, peut agir sur la puissance du son (sur l'amplitude de l'onde sonore). S'il la force nous avons vu que l'instrument risque de passer brusquement à une octave supérieure ce qui peut engendrer un ''couac''. Notons que la composition de l'air n'est pas en cause, par contre sa température peut jouer.

    Pour tous les instruments à vent, l'élément essentiel est donc la longueur du tuyau et le ''mode'' de vibration de l'air, comme nous l'avons vu ci dessus pour la corde. Un autre point important est celui du diamètre du tuyau. On appelle ce diamètre la ''perce'' de l'instrument. C'est la forme intérieur du tuyau, sa ''géométrie'', dans laquelle vibre la colonne d'air, qui détermine les caractéristiques du son émis (les harmoniques mis en valeur ou étouffés), ce qu'on appelle le timbre. Le diamètre de la perce doit être en rapport de sa longueur. Elle peut être ouverte ou fermée, cylindrique ou conique ( dans un sens ou dans l'autre). Souvent une partie de l'instrument est cylindrique et l'autre, ou les autres, sont coniques. Tous les instruments ont évolués au cours des ages de façon à s'adapter au genre de musique de l'époque, aux désirs des musiciens et à l'harmonie des sons entre les différents types d'instruments de l'orchestre. Les instruments actuels sont très performants et bien adaptés aux orchestres modernes.

    354) Les objets vibrants

    Les instruments à membrane ou objet vibrant, aussi différents que les tambours, les xylophones ou les ''bidons'' produisent des ''bruits'' qui sont transformés en ''son musicaux'' de par la manière dont les instruments résonnent. Cela provient de leur montage, de leur forme, de leur nature, de leur matière. Parmi eux le ''diapason'' est très important, car il résume à lui seul la théorie de résonance qui est le moteur de la propagation de toutes les ondes. Constitué en acier de deux branches parallèles soudées en forme de U reliées à une base, le diapason vibre à une fréquence fondamentale étalonnée à 440 Hz, pratiquement sans harmoniques. Si l'on place un diapason non vibrant à coté d'un autre qui vibre, ils se mettent à vibrer ensemble à cette même fréquence (à l'unisson). Si l'on pose un diapason vibrant sur un objet, celui-ci tend à entrer en résonance et donc à amplifier le son qui reste à la même fréquence (440Hz). L'amplification est maximum dans le cas d'une boite semi-ouverte dont, une des dimensions, possède une longueur égale au quart ou à la moitié de la longueur d'onde correspondant à cette fréquence, soit 19 ou 38 cm. environ.

    En plus, le diapason est l'outil de base du musicien car il donne le ''LA 3'' qui permet d'accorder (par convention) tous les instruments de notre musique classique à la fréquence (moderne) de 440Hz. C'est lui qui relie la musique contemporaine à la physique des ondes. Cette dernière offre donc aux scientifiques un terrain d'étude qui permet d'accéder à la matière universelle, à toutes les structures, aux énergies minimum et maximum pouvant exister. Pourquoi donc continuer à extrapoler les théories et méthodes classiques, basées sur des particules, pour tenter d'expliquer des phénomènes ondulatoires ? Lorsque l'extrapolation donne des résultats aberrants ou simplement curieux, la science physique, en cours actuellement, est contrainte de dire ''halte c'est quantique'', alors les scientifiques sont dans l'obligation de pénétrer dans le domaine du virtuel (qui possède l'avantage de pouvoir s'arranger, provisoirement, avec la réalité).

    36) Les dispositifs de réglage des tons

    Ces dispositifs concernent les instruments à vent dont le corps est percé de trous à des endroits précis. L'instrumentiste les ouvre ou ferme avec ses doigts pour modifier la longueur de la colonne d'air vibrante, et donc jouer toutes les notes (tons et demi tons) correspondant au registre de l'instrument. Depuis des temps anciens les instruments à vent ont considérablement évolués, non seulement pour s'adapter à l'Harmonie contemporaine, mais aussi pour faciliter le jeu des musiciens.

    Tout un système de pistons, de tampons, de ressorts, de pattes et clés de commande a été adapté pour chaque type d'instrument. Ainsi pour la flûte traversière, le ''facteur'' Théobald Boehm en 1847 a mis au point la flûte moderne. Je cite Wikipédia :

    <<La flûte Boehm possède un mécanisme plus complexe que les précédentes, car les trous ne sont plus placés à des endroits faciles à atteindre par les doigts du musicien, mais à leur emplacement optimal en termes d'acoustique. Ils sont alors ouverts au repos et bouchés par des plateaux, soit directement, soit via des clefs. Les trous d'altération sont bouchés au repos et manœuvrés par des clefs. Les doigtés sont plus rationnels... et permettent de jouer plus facilement dans toutes les tonalités. Les troisième et quatrième octaves sont plus faciles et plus justes que précédemment. Le système Boehm fut appliqué avec plus ou moins de succès à d’autres instruments à vent de la famille des bois, notamment la clarinette et le hautbois.>>

    37) Les caisses de résonance

    Pour les instruments à cordes, nous avons vu que celles-ci sont tendues sur la caisse de résonance. Pour le piano il s'agit de la ''table d'harmonie''. Je cite Wikipédia :

    <<La table d'harmonie est une mince planche de bois (en moyenne 8 mm) idéalement plus mince sur ses extrémités qu'en son centre, renforcée par des nervures en bois appelées « raidisseurs » (ou encore « renforts »). Elle est mise en vibration par l'intermédiaire des chevalets, qui lui transmettent la force de la vibration des cordes. C'est certainement la partie du piano où les matériaux employés sont de la plus grande importance. Dans les pianos de qualité, la table est réalisée en épicéa et constituée de planches collées entre elles par leurs bords. L'épicéa est choisi sur ces pianos pour son rapport élevé résistance/poids ; les meilleurs facteurs de piano utilisent d'ailleurs un épicéa avec un bois au grain fin et sans défaut et s'assurent, de plus, que le bois a séché durant une période suffisamment longue avant de l'utiliser. Les chevalets doivent être le plus au centre possible de la table, car les bords de la table sont fixés et ne peuvent pas vibrer ; c'est la raison pour laquelle, sur les très grands pianos, les cordes n'atteignent pas le bout de la table.>>

    Pour les violons nous avons vu que l'ensemble de l'instrument forme la caisse de résonance puisque les cordes lui sont rendues directement solidaires par l’intermédiaire du chevalet et de l’âme. Les cordes ayant des dimensions différentes en fonction de la tessiture grave ou plus aiguë recherchée, chaque catégorie d'instrument (voir plus haut) possède donc des dimensions spécifiques, toutes sont en rapport de la tessiture (plus long, plus large, plus épais, correspond à plus grave).

    Pour les instruments à vent, nous avons vu que la résonance se fait dans la colonne d'air située dans la perce de l'instrument et que le bois ou le métal de son enveloppe participe peu à l'amplification des sons. Par contre le ''timbre'' de l'instrument peut être reconnu comme ''cuivré'' ou ''boisé''.

    Au contraire pour les objets vibrants et les instruments à membrane , toute l'amplification et la transformation du bruit en son se fait dans la caisse de résonance. Le tambour et le diapason en sont de bons exemples.

    4) CONCLUSIONS PROVISOIRES

     Première remarque. Dans cette rubrique nous nous sommes attardés sur les propriétés des sons musicaux et des instruments qui les émettent. Il serait très intéressant, dans la même optique de propagation par mise en résonance, d'étudier cette propagation dans d'autres milieux matériels que l'air. Cela conduirait, entre autres domaines, à l'étude des sonars et des ondes sismiques. Sont concernés également tous les milieux isolants et absorbants qui bloquent ou réduisent les vibrations. L'étude de la propagation des ondes dans ces milieux semble peu intéresser les scientifiques mais beaucoup les techniciens des matériaux. La propagation des ondes dans le vide sera l'objet de notre prochaine rubrique.

    Deuxième remarque. Dans le phénomène de résonance, nous avons étudié la transmission de vibrations d'une molécule d'air à une autre ou d'un objet à un autre qui est capable de vibrer à la même fréquence que le premier. Il existe une autre approche du phénomène de résonance dans le cas où deux ondes ayant des fréquences voisines se rencontrent, il se crée une troisième onde dite ''de battement'' dont l'étude est intéressante.

    Troisième remarque. Dans le cas où les ondes qui se rencontrent ont la même fréquence et si elles sont en phase, elles peuvent ''entrer en résonance''. Alors l'amplitude des ondes (le volume sonore par exemple) peut atteindre un maximum d'intensité qu'on appelle la fréquence de résonance. Cette limite maximum dépend entre autres facteurs de la capacité ''d'amortissement'' de la structure des deux ''supports'' vibrants à ''l'unisson''. Dans le domaine sonore, l'effet Larsen, bien connu des conférenciers, s'apparente à ce phénomène. Tous les enfants qui ont joués sur une balançoire savent que de légères poussées, appliquées bien en phase, peuvent avoir des effets impressionnants. Lorsque des ondes lumière piégées dans une cavité (entre deux miroirs) entrent en résonance, on tombe dans le domaine des ''lasers ''. Mon intention première était de confronter ma thèse à ce dernier domaine et de pousser mon étude à celle des ''atomes froids''. L'étude des sons musicaux à détourné mon attention, mais rien ne semble arrêter la marche de mes neurones. Ce sera donc pour une prochaine rubrique.