1. Qu'est ce que le son ?

Le son est la sensation auditive engendrée par une onde acoustique due à la vibration d’un corps. Le son est transmis à travers toute matière qu’il peut déformer pour se propager (on en déduit qu’il se propage bien dans l’air, moyennement dans les liquides et difficilement dans les solides).

Le son est caractérisé :

• Par sa hauteur, qualité qui fait distinguer un son grave d’un son aigu. La hauteur d’un son est liée à la fréquence de vibration de la source sonore. Les sons aigus sont dus au mouvement vibratoire de fréquence élevée et les sons graves au mouvement de basse fréquence. Toutefois, l’oreille ne peut percevoir que les sons dont les fréquences sont comprises entre 20 et 20000 Hz environ, soit une dizaine d’octaves.

• Par son intensité, qualité qui fait distinguer un son fort d’un son faible. L’intensité est liée à l’amplitude des vibrations sonores. Toutefois, l’oreille ne peut percevoir un son que si cette amplitude a une valeur minimale. L’intensité minimale correspondante s’appelle "seuil d’audibilité". Si, au contraire, on fait croître progressivement l’amplitude des vibrations sonores, l’audition finit par devenir extrêmement pénible. L’intensité maximale correspondant à la limite du supportable pour l’oreille est appelé "seuil de douleur".

• Par son timbre, qualité qui permet de distinguer deux sons émis par deux instruments différents. Si le son est "musical" au sens acoustique du terme, c’est à dire créé par un mouvement vibratoire périodique, on montre que le son peut être considéré comme la superposition de sons simples harmoniques, dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence d’un son de base, appelé fondamental. Le timbre d’un tel son dépend des intensités relatives des différents sons simples harmoniques qui le composent.

2. Perception des niveaux sonores

• Limites perceptives

La perception d'un son pur existe dans l'intervalle 20 Hz-20 kHz. Cet intervalle se réduit inexorablement avec l'âge. La "presbyacoustie" correspond à la perte de cette acuité auditive. La destruction de cellules est irrémédiable et irréversible.

• Dynamique

L'oreille n'est sensible qu'à 50 dB de dynamique dans les graves, à comparer avec les 120 dB de dynamique aux alentours de 3 kHz (à comparer également avec la dynamique plus faible des instruments de mesure).

La chaîne des osselets (marteau, étrier et enclume) permet d'adapter l'impédance acoustique du milieu extérieur à celle de l'oreille interne. Il existe des mécanismes réflexes permettant de modifier dynamiquement le facteur d'adaptation acoustique de la chaîne des osselets afin d'augmenter ou de diminuer le ratio d'énergie transmis à l'oreille interne. Ce mécanisme s'apparente à celui de la pupille de l’œil agissant comme un diaphragme, laissant entrer plus ou moins de lumière à l'intérieur de la cornée. Ce phénomène permet de supporter des sons forts pendant des durées assez longues.

3. Perception des hauteurs

• Périodicité

La périodicité (phénomène temporel) est le principal phénomène physique à mettre en rapport avec la perception de hauteur. Par exemple, tous les sons possédant une période de 10 ms, seront jugés comme des sons possédant la même hauteur (hauteur tonale), et en particulier la même hauteur qu'une sinusoïde à 100 Hz.

• Harmonicité

D'un point de vue fréquentiel, la périodicité d'un son entraîne une répartition harmonique de ses partiels (qui sont les différentes fréquences de résonance d’un instrument). Donc, si nous devions énoncer une règle pour mesurer la hauteur perçue d'un son périodique à partir de son spectre, nous dirions qu'il s'agit de déterminer le plus grand commun diviseur (PGCD) des fréquences de tous les partiels harmoniques. Cette fréquence s'appelle fréquence fondamentale (ou encore la fondamentale) d'un son.

• Pièges

Si la fréquence fondamentale d'un son n'est pas la fréquence du premier partiel harmonique, dit le fondamental, nous sommes alors dans le cas du fondamental absent. Il s'agit par exemple de sons creux, tels que celui du basson. A part un timbre un peu pauvre, cette situation n'a rien d'extraordinaire ou étonnante ; au niveau de la forme d'onde, rien de particulier ne distingue ce cas du cas où le fondamental est présent. Nous sommes dans le cas où il manque de nombreux partiels dans le son. Dans le cas de la clarinette, il manque approximativement un partiel harmonique sur deux, caractéristique de cette sonorité un peu nasillarde.

• Ambiguïté d'octave

La hauteur des sons est ambiguë à une octave près. Un son à 200 Hz et un son à 400 Hz produisent tous les deux une sensation de hauteur assez semblable. Cela tient au fait que si mathématiquement 2.5ms est une période du signal (400 Hz) alors, 5ms est nécessairement une autre période du signal (200 Hz).

L'importance du rapport d'octave est très largement utilisée en musique, en particulier pour définir des classes de hauteurs (Do, Ré, Mi... sont définis à une octave près, et définissent ainsi une classe de hauteur).

• Perception différentielle

La perception de la hauteur, est, comme la plupart des phénomènes perceptifs, régie essentiellement par une échelle logarithmique.

La perception de la hauteur du son change en fonction de son intensité sonore et en fonction du niveau du bruit ambiant. Cette déviation de perception de hauteur dépend également de la hauteur du son.

• Oreille absolue

Normalement, nous ne sommes capables de percevoir que des rapports de hauteurs. En d'autres termes, nous nous souvenons sans difficulté de la mélodie de "Au clair de la Lune", mais nous reconnaissons toutes les mélodies transposées (c’est à dire décalées d’un nombre fixé de demi tons) également comme "Au clair de la Lune". Donc les mélodies de hauteurs reposent principalement sur l'enchaînement des rapports de hauteur, et non pas sur les hauteurs proprement dites.

Certains individus sont toutefois capables de percevoir la hauteur des sons, de la mémoriser, et de la comparer avec d'autres hauteurs. Cette caractéristique s'appelle l'oreille absolue. C'est une caractéristique génétique, et fait donc partie de l'inné. Si on la possède, elle se cultive, sinon elle ne s'apprend pas.