Dans l’article précédent [1] nous avons établi comment les sons et les notes fonctionnent. Nous avons aussi expliqué le fonctionnement de certains des instruments les plus populaires : les guitares et les pianos. Ces deux font partie des instruments à cordes, une des trois familles d’instruments. Les deux autres familles seront décrites dans cet article : les instruments à vent et les percussions. Il y a également une autre question restée en suspens à laquelle nous allons apporter une réponse : pourquoi des instruments jouant la même note sonnent si différemment ?
Une musique qui percute
Les percussions produisent de la musique en étant frappées ou grattées. En fonction de la méthode, on différencie plusieurs types d’instruments.
Les membranophones sont des instruments où une membrane acoustique est frappée. Les tambours, djembés et kazoos sont des membranophones. La fréquence du son dépend de la tension de la membrane. La membrane vibrante est l’équivalent 2D de la corde vibrante vue le mois dernier [1]. Détail amusant : une membrane acoustique est aussi utilisé dans les microphones pour capturer les sons et dans les haut-parleurs pour redistribuer le son.
Avec les idiophones, c’est l’instrument lui même qui vibre pour faire de la musique. Ils produisent un son soit lorsqu’ils sont frappés directement avec la main ou un bâton (triangle, carillons, xylophone) ou lorsqu’ils sont secoués (cloche, maraca).
Certaines percussions sont également catégorisées comme des instruments à corde (piano) ou des instruments à vents (sifflet).
Le vent fait de la musique
Pour les instruments à vent, la note est déterminée par la fréquence de vibration de l’air à l’intérieur d’un tuyau. Cela dépend de la pression à l’intérieur du tuyau et de sa longueur. On distingue deux types : les cuivres et les bois. Ne vous faites pas avoir par leur nom, ils ne sont pas nécessairement fait à partir des-dits matériaux mais désignent comment ils produisent des sons.
Chez les cuivres, les lèvres du musicien vibrent ce qui fait vibrer l’air en la mettant en résonance. La longueur du signal, sa fréquence, est changée grace aux clés, aux coulisses, aux pistons et aux tiges.
Chez les bois, il y a également différentes catégories suivant comment le son est produit. Avec les instruments à biseau, vous soufflez l’air dans un tube cylindrique qui va se séparer puis vibrer avec le cylindre fermé (orgue, ocarina) ou avec le trou au bout du cylindre (flute de pan). Avec les instruments à anche, vous soufflez dans le bec qui fait vibrer la anche. Vous pouvez avoir une anche simple (saxophone), une anche double (hautbois) ou une combinaison des deux (cornemuse).
La voix, un instrument oublié
La voix est aussi un instrument, le premier qui soit, même s’il n’est pas toujours considéré comme un. Il es classé comme un instrument à vent mais utilise aussi le concept de membrane vibratoire.
L’air est envoyé depuis les poumons à travers deux cordes vocales (ou plis vocaux, terme plus adapté à leur forme membranaire) vibrant et étant amplifié en entrant en résonance avec la cage thoracique, le pharynx, la bouche et la cavité nasale ce qui augmente l’intensité du son. La fréquence dépend cependant de la contraction des muscles dans le larynx ce qui change la tension et la déformation des cordes vocales.
Quatre mécanismes différents existent en fonction de comment vous utilisez votre larynx [2]. Le mécanisme du larynx 0 correspond au registre de voix craquée et produit les sons les plus graves grace à des cordes vocales courtes, épaisses et lâches. Les hommes l’utilisent pour le langage principalement. Le mécanisme du larynx I correspond au registre de voix de poitrine pour les hommes et les femmes le registre de voix de tête pour les hommes. Le mécanisme II est le registre de voix de tête pour les femmes et falsetto pour les hommes. Le mécanisme III est le registre de voix de sifflet et produit les tonalités les plus aigues. Ici, les cordes vocales sont fines et très tendues.
Grace à ces différents mécanismes, la voix humaine peut aller de 60 Hz à 1500 Hz. Un glissando (une transition progressive d’une fréquence à l’autre) permet d’observer plus facilement ces mécanismes.
La sonorité est affaire de complexité
La même note jouée avec différents instruments produit un son différent. C’est parce que la réalité n’est pas aussi simple que la théorie.
Le premier indice vient des guitares et pianos qui jouent plusieurs notes en même temps, que l’on appelle accords. Nous avons une combinaison de notes et de fréquences avec une en particulier qui domine et donne la fréquence générale. On appelle ça un son complexe, en opposition aux sons pures qui correspondent à une note unique.
Mais qu’en est-il des instruments qui ne peuvent jouer qu’une note à la fois ? Et même pour les guitares et les pianos, la même note entre les deux sonne différemment.
Et bien, c’est également lié aux sons complexes, mais l’origine est différente. Un instrument crée une vibration de l’air allant d’un milieu à un autre, traversant les différentes parties de l’instrument. Cela va modifier légèrement la forme du motif sonore [3]. La sinusoïde gagne des fluctuations, perd en régularité, crée un son plus complexe, tout en gardant la même fréquence correspondant à la note désirée (cf. la figure suivante).
La prochaine fois que vous entendez quelqu’un jouer d’un instrument ou votre chanson préférée à la radio, essayez de garder en tête la complexité qui vient de la science acoustique de base en passant par l’ingénierie des instruments jusqu’à la musique qui parvient à vos oreilles. Souvenez-vous que cette beauté vient de la science.
Références
[1] All You Need Is Science, Do Ré Mi Fa Sol La Sinusoïde (partie 1)
[2] Henrich N.; Roubeau B.; Castellengo M. (2003), « On the use of electroglottography for characterisation of the laryngeal mechanisms », Proceedings of the Stockholm Music Acoustics Conference, August 6-9, 2003 (SMAC 03), Stockholm, Sweden, doi:10.1.1.61.8743
[3] Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche – Juin 2016, Enregistrer et analyser des sons avec des outils numériques, https://cache.media.eduscol.education.fr/file/Signal/70/5/RA16_C4_PHCH_enregistrer_sons_signal2_619705.pdf