Généralités sur les ondes
Toute onde possède des caractéristiques de base que possèdent donc également les ondes sonores ou ondes acoustiques:
- une amplitude (mesurée en décibels)
- une période (mesurée en secondes) et une fréquence (mesurée en Hertz) calculée à partir de la période T tel que f=1/T. La fréquence est donc le nombre d'oscillations périodiques par seconde.
Ces trois caractéristiques sont visibles sur la représentation très répandue d'onde sinusoïdale (voir "S") comme celle ci-dessous:
Culture générale sur les Hertz: Les Hertz sont une échelle logarithmique où doubler la fréquence correspond à augmenter d'une octave musicale: de 20Hz à 40Hz qui est une octave, tout comme de 1000Hz à 2000Hz. Cette unité remplaça en 1930 les cycles par secondes (cps) et est nommée après le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz qui contribua grandement au domaine de l'électromagnétisme. |
Les Ondes sonores
Tout au long d'une journée nous percevons une énorme quantité de sons que nous savons instinctivement distinguer, pour après les attribuer à leur source. Ces distinctions se font dans la vie de tous les jours à partir de l'intensité, la hauteur et le timbre du son:
- L’intensité d'un son: c'est son amplitude et elle peut aussi être vue comme son volume sonore mesuré en décibels. Plus l'intensité d'un son est grande, plus son amplitude est grande. De plus, l'intensité du son diminue en fonction de la distance parcourue.
- La hauteur d'un son: c'est sa position sur l'échelle des graves et des aigus qui est déterminée par sa fréquence, cette échelle divise le spectre audible (20 à 20000Hz) en trois parties: les graves (de 20 à 250 Hz), les médiums (de 250 à 2000Hz) et les aiguës (au delà de 2000 Hz). Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu et à l'inverse plus elle est petite plus le son sera grave.
- Le timbre d'un son: c'est la caractéristique qui nous permet de distinguer une guitare, d'un piano ou d'une voix humaine jouant à la même hauteur et à la même intensité. Le timbre du son est abordé plus en détail en bas de page.
Culture générale sur les Décibels: Le décibel est une unité introduite par les Laboratoires Bell au début du 20ème siècle sous le nom original de TU (transmission unit) dans le but d'avoir une unité indépendante du cable et de la fréquence pour, entre autres, les entreprises de téléphonie. Cette unité fut renommée le bel en 1923 en l'honneur du fondateur du laboratoire: Alexander Graham Bell. Les décibels, sous-multiple du bel sont une échelle logarithmique où ajouter 3 correspond à doubler le volume sonore perçu. Ce site propose une image qui illustre de façon schématisée l'évolution du volume sonore tout en donnant des exemples pour différents niveaux: |
sons purs et complexes
Il existe deux catégories de sons: les sons purs et les sons
complexes.
Son pur:
Un son pur se dit d’une unique onde parfaitement sinusoïdale dont la fréquence et l'amplitude maximale sont constantes. Un son pur ne possède qu'une onde fondamentale sans aucune harmonique ce qui est quasiment inexistant de façon naturelle mais qui est en revanche assez simple à créer de façon électronique.
Son complexe:
Un son complexe est une onde non sinusoïdale composée de plusieurs sons purs et donc de plusieurs ondes sinusoïdales dont les fréquences et amplitudes sont différentes. Les ondes sonores, qui composent un son complexe, peuvent être réparties en deux catégories : l’onde fondamentale et ses harmoniques qui sont des ondes dont les fréquences sont des multiples de l’onde fondamentale. Le son complexe résulte de la superposition de ces ondes.
Représentation imagée: provenant de la source suivante
Son pur:
Un son pur se dit d’une unique onde parfaitement sinusoïdale dont la fréquence et l'amplitude maximale sont constantes. Un son pur ne possède qu'une onde fondamentale sans aucune harmonique ce qui est quasiment inexistant de façon naturelle mais qui est en revanche assez simple à créer de façon électronique.
Son complexe:
Un son complexe est une onde non sinusoïdale composée de plusieurs sons purs et donc de plusieurs ondes sinusoïdales dont les fréquences et amplitudes sont différentes. Les ondes sonores, qui composent un son complexe, peuvent être réparties en deux catégories : l’onde fondamentale et ses harmoniques qui sont des ondes dont les fréquences sont des multiples de l’onde fondamentale. Le son complexe résulte de la superposition de ces ondes.
Représentation imagée: provenant de la source suivante
Pour briser un verre, on cherche à jouer une fréquence très précise, la fréquence de résonance, qui doit être jouée toute seule; sans qu'un autre son perturbe la perturbe. C'est pourquoi un son complexe n'est pas adapté, la présence d'harmonique rend la cassure du verre quasi-impossible. |
Le timbre du son:
Le timbre du son est une de ses caractéristiques complexes qui permet de différencier deux sons de même hauteur et amplitude; c'est par exemple grâce à ce timbre que l'on est capable de reconnaitre la voix d'un proche dans une foule de voix. C'est aussi le timbre du son qui explique la différence que l'on entend quand deux mêmes notes sont jouées sur deux instruments différents.
D'un point de vue scientifique, le timbre du son correspond à l'ensemble résultant de l'addition de la totalité des harmoniques et de l'onde fondamentale. Sa représentation se fait sous la forme d'un spectrogramme ou spectre de fréquences qui admet en abscisse la fréquence des ondes qui composent le son complexe et, en ordonnée, leur intensité à un instant t.
Les différentes fréquences visibles sur le spectrogramme correspondent aux différentes ondes sinusoïdales composant le son complexe desquelles on peut reconnaitre la fondamentale qui est la première et ses harmoniques qui sont toutes les suivantes. L'onde fondamentale est également celle dont l'intensité est la plus élevée.
Ce site propose une décomposition imagée d'un son complexe en montrant la sinusoïde et le spectrogramme de l'onde fondamentale, de son harmonique et de la résultante:
Le timbre du son est une de ses caractéristiques complexes qui permet de différencier deux sons de même hauteur et amplitude; c'est par exemple grâce à ce timbre que l'on est capable de reconnaitre la voix d'un proche dans une foule de voix. C'est aussi le timbre du son qui explique la différence que l'on entend quand deux mêmes notes sont jouées sur deux instruments différents.
D'un point de vue scientifique, le timbre du son correspond à l'ensemble résultant de l'addition de la totalité des harmoniques et de l'onde fondamentale. Sa représentation se fait sous la forme d'un spectrogramme ou spectre de fréquences qui admet en abscisse la fréquence des ondes qui composent le son complexe et, en ordonnée, leur intensité à un instant t.
Les différentes fréquences visibles sur le spectrogramme correspondent aux différentes ondes sinusoïdales composant le son complexe desquelles on peut reconnaitre la fondamentale qui est la première et ses harmoniques qui sont toutes les suivantes. L'onde fondamentale est également celle dont l'intensité est la plus élevée.
Ce site propose une décomposition imagée d'un son complexe en montrant la sinusoïde et le spectrogramme de l'onde fondamentale, de son harmonique et de la résultante:
On remarque sur le spectrogramme que l'harmonique est située à une fréquence multiple de la fondamentale
(elle située "plus à droite")
(elle située "plus à droite")
La superposition de l'onde fondamentale et de son harmonique crée une onde très différente des deux autres. Ces nouvelles valeurs sont obtenues en additionnant les ordonnées du point de chaque onde à une abscisse donnée. La relation entre spectrogramme et onde, et la superposition de l'onde fondamentale et de ses harmoniques, est synthétisée de façon didactique dans l'animation suivante disponible sur le site de l'académie de Caen:
Expérimenter par soi même:
L'application suivante, créée par Geneviève Tulloue et disponible sur ce site pédagogique permet de créer une infinité d'ondes complexes en réglant soi-même l'amplitude de l'onde fondamentale et de 12 harmoniques:
ce site est néanmoins de niveau trop avancé et sont donc présents d'autres termes et principes qui ne sont pas abordés sur notre site.
L'application suivante, créée par Geneviève Tulloue et disponible sur ce site pédagogique permet de créer une infinité d'ondes complexes en réglant soi-même l'amplitude de l'onde fondamentale et de 12 harmoniques:
ce site est néanmoins de niveau trop avancé et sont donc présents d'autres termes et principes qui ne sont pas abordés sur notre site.