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Acoustique musicale et physique

Relatif à la perception sonore. Branche de la physique dont l'objet est l'étude et l'analyse des sons et des ondes mécaniques (relevé des propriétés sonores d'un local : taux de réflexion, réverbération). Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire. Elle regroupe : la propagation des ondes sonores, l'acoustique des salles, la physiologie de l'audition, l'acoustique environnementale et le traitement du signal audio.

La production et la perception de sons musicaux fonde l'acoustique musicale.

L'ACOUSTIQUE MUSICALE

Elle est la branche de l'acoustique consacrée à la place et à l'utilisation du son dans l'élaboration et la perception de la musique, de la relation entre grandeurs physiques et réactions d'ordre qualitatif propres à chaque individu. Elle permet de comprendre les phénomènes de diffusion de la musique (lieux de diffusions), les particularités des factures instrumentales, et enfin, depuis peu, la cognition et la réception de la musique. La synthèse sonore a fourni des outils particulièrement puissants pour faire évoluer les moyens d'études.

Éléments historiques

L'origine de l'acoustique est attribuée à Pythagore (6e siècle av. J.-C.). Le philosophe et réformateur étudia le fonctionnement des cordes vibrantes produisant des intervalles musicaux harmonieux  ces intervalles seront à l'origine du Théorème de Pythagore. Deux siècles auparavant, Aristote avait déjà anticipé correctement que le son était produit par la mise en mouvement de l'air, par une source « poussant vers l'avant l'air contigu de telle manière que le son voyage ». Toutefois, son hypothèse étant davantage basée sur la philosophie que d'après des recherches d'ordre physique, elle conduira à laisser croire durant plusieurs siècles que les hautes fréquences se propageaient plus rapidement que les basses fréquences, ce qui est faux.

C'est le romain Boèce (470-525 ap. J.-C.) qui rapprocha le son des ondes à la surface de l'eau et qui suggéra que la perception humaine des aigus comme des graves était liée à la propriété physique de la fréquence.

Un résultat crédible sur la propagation du son sera apporté par Galileo Galilei et Marin Mersenne au début du 17e siècle. Dans l'Harmonie Universelle (1637), Mersenne décrit précisément la fréquence d'un son audible. Ses recherches démontraient que le rapport de fréquences absolues de deux cordes vibrantes séparées d'une octave était de 1/2, et que la consonance harmonique perçue par l'oreille ne pouvait s'expliquer que si le rapport des fréquences d'oscillation de l'air était également de 1/2. L'histoire de cette découverte, qui est aussi la conséquence de réflexions antérieures  - dont certaines remontent à Pythagore - conforte l'interprétation des lois sur les fréquences naturelles des cordes vibrantes.

L'ACOUSTIQUE PHYSIQUE

L'acoustique physique (appelée aussi acoustique théorique et acoustique fondamentale) est une science qui détermine les principes de la génération et de la propagation des sons. Le domaine n'est pas nécessairement limité par la perception de l'oreille humaine en abordant également les ultrasons et infrasons.

L'acoustique physique comprend de nombreux domaines d'application spécialisés. Citons :

  • L'électroacoustique dont l'étude porte sur les transducteurs électroacoustiques tels que les haut-parleurs et microphones.
  • L'acoustique architecturale qui a pour but d'étudie la propagation des sons dans les salles et bâtiments, isolation phonique comprise.
  • La vibroacoustique ou acoustique des structures étudie les ondes mécaniques, leur interaction et rayonnement dans les fluides environnants.
  • La thermoacoustique étudie la conversion de la chaleur en énergie acoustique et vice-versa.
  • L'imagerie médicale, utilisée pour les échographies et certaines techniques chirurgicales par ultrasons.
  • L'aéroacoustique étudie la génération d'un bruit produit par turbulence ou interagissant avec une surface résistante à l'air (aile d'avion, roue de turbine, etc.
  • L'acoustique sous-marine étudie la propagation du son dans l'eau et l'interaction des ondes mécaniques sonores dans l'eau.

D'autres domaines liés à l'acoustique physique abordent plus particulièrement l'oreille humaine :

  • L'audition explique les mécanismes de la perception des sons par l'ouïe et mesure la sensibilité acoustique des oreilles.
  • La phonétique acoustique se consacre aux sons produits en les classant suivant leur perception par le locuteur (phanétique auditive)
  • La psychoacoustique aborde la relation des sons captés par le système auditif vis-à-vis du cerveau humain.

L'ACOUSTIQUE DE L'ESPACE

La science de l'acoustique de l'espace décrit les différentes apparitions physiques et les moyens techniques qui s'y rattachent pour les mesurer et pour les décrire.

Degré de résonance d'une pièce

Énergie produite par une source et qui se répand librement partout dans l'espace. L'intensité sonore décroit proportionnellement au carré de la distance. Le son est alors renvoyé dans l'espace par les murs d'après les lois précises de la réverbération. Ce processus se répète à chaque répercussion du son, de sorte qu'après son extinction, un écho est encore audible. L'énergie sonore est formée de tous ces retours de son. Dans les pièces fermées, les retours de son sont réglés d'après la forme de la pièce, la configuration des surfaces et le choix des matériaux. Le temps de résonance admise pour la musique oscille entre 1 et 2,5 secondes selon la grandeur de la salle.

ACOUSTIQUE ET FACTURE INSTRUMENTALE

Jusqu'au 19e siècle, la fabrication des instruments de musique est l'affaire d'artisans qui font appel à un savoir-faire qui doit peu aux modèles scientifiques, bien que les théoriciens de la musique rattachent les principes de leur art à ceux de la physique. Les sons instrumentaux les plus stables, et qui se prêteront le mieux aux expériences scientifiques, auront pour source la vibration de cordes et la colonne d'air.

De cette étude des modes de vibration des cordes et colonnes d'air qui donnent la note, l'acoustique musicale est passée à celle des couplages qui transmettent l'énergie emmagasinée dans la partie vibrante à l'air, afin de créer le son. Le volume sonore de l'instrument dépend de ce couplage. Pour des instruments à cordes frappées ou pincées, ce couplage détermine la durée pendant laquelle une note peut tenir.

Ainsi, la facture instrumentale doit toujours prendre en compte « l'impédance acoustique » des éléments et les transferts d'énergie entre eux. Pour les instruments à cordes comme la guitare ou le violon ce sont les caisses de résonance, tandis que pour les instruments à vent comme la flûte ou la trompette, ce sont l'extrémité libre des tuyaux. Ces couplages jouent un rôle déterminant dans la caractéristique du timbre de l'instrument, jusqu'à produire, en fonction des matériaux utilisés et des technologies employées, ce que seront les instruments de demain.

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