SOMMAIRE

 

INTRODUCTION

Problématique : Par quels phénomènes nous est-il possible d’émettre un son via les instruments de musique, puis, après sa propagation, de le percevoir ?

 

I) Qu’est ce que le son ?

I-1) Définition

I-2) Caractéristiques et propriétés

I-2-1) Ce qu’un son est en physique.

I-2-2) Les caractéristiques d’un son

a)La vitesse

b)La longueur d’onde

c)Fréquence, hauteur et période

d)L’intensité

e)Le timbre

II) Emission

II-1)Quelle est l’origine du son ?

II-1-1)La source de vibration

II-1-2)La structure résonante

II-2)Comment sont les sons produits par les instruments de musique ?

II-2-1) Fondamentales, harmoniques et ondes stationnaires

a) Les cordes

b) Les vents

II-2-2) De quoi est composé un son musical ?

III) Réception

III-1)Anatomie de l’oreille

III-1-1) l'oreille externe

III-1-2) l'oreille moyenne

III-1-3) l'oreille interne

III-2) Fonctionnement de l'oreille

III-2-1) l'oreille externe

III-2-2) l'oreille moyenne

III-2-3) l'oreille interne

III-2-4) Le message nerveux auditif

III-3) la perception humaine du son

III-3-1) Quels sont les sons que l'on entend ?

III-3-2) Quel est le seuil d'écoute de l'oreille ?

III-3-3) Qu'est-ce que les décibels ?

III-3-4) Quels sont les différents critères qui vont faire varier notre perception de la musique ?

a) La sonie, caractéristique subjective

b) La dynamique et les instruments de musique

III-3-5) les effets néfastes du bruit

 

 

CONCLUSION

 

 

INTRODUCTION

           

 

 

Depuis bien longtemps, les sons (notamment ceux de la voix et de la musique) font partie de notre quotidien : s’ils sont banals et sans intérêt pour les uns, d’autres en ont fait une passion. Pourtant peu nombreux sont ceux qui se sont demandés quels étaient les raisons de l’émergence de tous ces sons au cœur de notre vie, ou bien ils n’ont pas pris le temps de répondre à ces interrogations.

Avant de s’intéresser aux phénomènes en rapports avec le son et de la musique que nous allons donc étudier dans ces TPE, il faut savoir que le son n’existe que par l’intermédiaire des êtres vivants qui ont la capacité de l’entendre.                                 

En effet le son ne prend naissance que dans le cerveau d’un être vivant, puisque avant que l’oreille ne le réceptionne, le son prend le nom d’onde mécanique progressive, dit aussi « onde acoustique ».                 

Ainsi, si des ondes mécaniques de type acoustique peuvent se produire via un émetteur quelconque sans l’intervention d’êtres vivants, le son, quant à lui, nécessite la présence d’un récepteur vivant pour que son nom prenne toute sa valeur. C’est d’ailleurs à travers l’étude de ces deux phases de la transmission d’un son (l’émission et la réception) que nous allons construire ces TPE qui ont pour but la compréhension du parcours du son, ce qui nous amène à la problématique suivante :     

 

 

 

 

Par quels phénomènes nous est-il possible d’émettre un son via les instruments de musique, puis, après sa propagation,de le percevoir ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 I) Qu’est-ce que le son ?

 

         I-1) Définition

 

Avant d’entreprendre toute explication sur le son, il convient tout d’abord de comprendre ce que représente un son. Comment nous l’avons expliqué précédemment, le son ne prend naissance que dans notre cerveau, nous utiliserons le terme de son même lorsque nous désignerons par ce nom les ondes acoustiques que nous n’aurons pas encore perçues.

         En effectuant une simple recherche dans le dictionnaire, on s’apercevra que le son est « une sensation auditive engendrée par une onde acoustique », mais qu’il désigne aussi « toute variation se propageant dans l’air et capable d’impressionner notre oreille », et dans un sens plus précis « les variations de pressions périodiques », celles qui ne le sont pas étant « qualifiées de bruits ».              

 

I-2) Caractéristiques et propriétés

        

         I-2-1) Ce qu’un son est en physique.

En physique, on définit le son, ou plutôt ce qui produit la sensation de son, comme une onde progressive mécanique périodique de type acoustique, une onde qui est de plus tridimensionnelle et longitudinale. Expliquons tous ces termes :

Onde : une onde correspond à une perturbation de la matière par transfert d’énergie, mais sans que la matière ne soit elle-même transportée. Pour le son cette énergie transportée est la pression que l’on exerce sur un certain milieu (gazeux, liquide ou solide), pression qui est à l’origine du son. Il faut également savoir que des ondes mécaniques peuvent se croiser sans se perturber : il est ainsi possible de se parler en conversation « croisée », en entendant ce que la personne d’en face nous dit sans pour autant que les sons qu’elle émet soient modifiés par une autre conversation qui a lieu entre deux autres personnes situées sur chacun des côtés. De même, lors d’un concert, on pourra apprécier le son de chaque instrument sans qu’il soit troublé par le son des autres instruments.

         Progressive : ce terme indique simplement que l’onde se déplace dans l’espace, elle est ainsi opposée par ce mot aux ondes stationnaires, qui, elles, restent confinés dans un certain espace.

         Mécanique : il s’agit ici de la définition du type de perturbation de la matière que provoque cette onde (on parle aussi d’onde matérielle). Le son est une onde de pression (ou de compression), donc est à l’origine de mouvements mécaniques de l’air. L’autre grande « famille » regroupe les ondes électromagnétiques, qui, contrairement aux ondes mécaniques (donc au son) peuvent se propager dans le vide.    

         Périodique : Comme nous l’avons vu dans la définition, cette caractéristique de l’onde sonore permet de l’opposer au bruit, qui n’est pas « organisé » comme l’est le son. On dit qu’une onde est périodique lorsque la perturbation de la matière se reproduit à l’identique et à intervalles réguliers.

         Sur ces deux graphiques on a transformé par l’intermédiaire d’un micro la pression reçue en tension, on a ainsi la tension en fonction du temps. Sur le graphique de gauche la tension varie de manière régulière : l’onde est périodique, et on est donc en présence d’un son. A droite, la tension est chaotique et n’observe aucune périodicité : on a au contraire un bruit.

 

tridimensionnelle : l’onde sonore se propage en effet dans toutes les directions de l’espace .

longitudinale : une onde peut être soit transversale soit longitudinale. Lorsqu’elle est qualifiée de transversale, cela signifie que la perturbation de la matière s’effectue dans une direction perpendiculaire à la propagation de l’onde.  Au contraire, quand elle est dite longitudinale, ce qui est le cas du son, c’est pour indiquer que la matière est perturbée de façon parallèle. Ainsi l’onde sonore se propage par « couches » : une couche de matière, sous une certaine pression, va transmettre cette pression à une autre couche située à ses côtés, puis cette seconde couche va à nouveau propager cette pression vers une troisième couche et ainsi de suite jusqu’à ce que l’onde parvienne à nos oreilles, où cette pression, comme nous l’expliquerons plus loin, sera codée en message nerveux. 

Sur la figure 3, on distingue sur la ligne du haut les variations de la pression de l’air et ses déplacements, qui correspondent à une certaine disposition des atomes représentés schématiquement sur la partie basse de la figure. Les couches d’air arrivent ainsi une à une sur le récepteur, avec des pressions (représentées par la densité des points) alternativement fortes et faibles.

 

Remarque : Dans certaines conditions, l’onde acoustique peut se propager de manière transversale à travers les solides. Ce phénomène est dû aux forces de cisaillement, mais ce cas n’entrant pas dans le cadre de nos travaux, nous ne l’étudieronst pas plus profondément.  

 

                  

                  

 

 

                   I-2-2) Les caractéristiques d’un son

        

          Une onde sonore est caractérisée par trois paramètres essentiels, liés entre eux :

                   - sa vitesse

                  - sa fréquence

                            - sa longueur d’onde

         Au niveau musical on s’intéresse surtout aux trois grandeurs « physiologiques » suivantes :

                   - la fréquence, appelée alors hauteur du son.         

                   - l’amplitude, ou plus communément l’intensité    

                   - le timbre du son, déterminé par la forme de l’onde sonore.

                           

                            a)La vitesse

         La célérité d’un son, comme celle de toute onde, est indiquée par sa longueur d’onde et sa fréquence (donc aussi par sa période, puisque cette dernière est l’inverse de la fréquence), ce qui nous donne la relation suivante :                 

                   V = λf et, puisque f = 1/T  V = λ/T

                           

avec  V la vitesse de l’onde en m.s^-1 

                                     λ la longueur d’onde en m

                                     f la fréquence en s^-1  ou en Hz    

                               et    T la période en s

 

         Cette vitesse de propagation dépend de plusieurs paramètres relatifs au milieu dans lequel l’onde acoustique évolue. Elle varie dans un premier temps suivant la température. Dans l’air, la relation entre vitesse et température est donnée par cette équation : V = 20√T°

                            avec V la vitesse en m.s^-1

                                     T° la température en Kelvin

 

 Par exemple à 20°C, ce qui équivaut à 293K, on aura V = 20√293 ≈ 243 m.s^-1

                Mais la célérité du son dépend surtout de la densité et de l’élasticité du milieu. Ainsi, plus le milieu et dense et moins il est élastique, plus l’onde sonore se déplace rapidement. En effet, les atomes du milieu se rencontrent dans un intervalle de temps plus court et transmettent ainsi le mouvement de la matière plus rapidement. L’onde sonore est en fait inversement proportionnelle à l’élasticité du milieu.      

         Les solides étant plus denses que les liquides, et les liquides eux-mêmes plus denses que les gaz on a :

 

 

                   Vson(solide) > Vson(liquide) > Vson(gaz)

 

 

On remarquera par exemple que la vitesse du son atteint 5000 m.s-1 dans l’acier et même 6400 m.s-1 dans l’aluminium, contre 1425 m.s-1 dans l’eau et seulement 340 m.s-1 dans l’air (ces comparaisons ont bien sur été réalisées avec des températures identiques).

 

                  

b) La longueur d’onde

La longueur d’onde, exprimée en mètre, correspond à la longueur d’une oscillation complète, c’est-à-dire, la distance la plus courte qui sépare deux point de matière dans une position identique. Elle se définit plus couramment comme la distance entre deux crêtes.

        

                          

 

         Afin de mieux comprendre cette notion, on peut reprendre la figure 4 : la longueur d’onde est la distance qui sépare deux tranches d’air dilatées ou deux tranches d’air comprimées, soit deux points de même pression les plus proches possibles mais étant tout de même alignés dans la direction de propagation.

         Pour les sons aériens, lorsque la fréquence du signal varie entre 20 et

20000 Hz (unité de fréquence définie ci-dessous) (cet intervalle de fréquence correspond aux sons audibles par l’homme), la longueur d'onde varie entre 17 m et 17 mm.

 

 

                            c) Fréquence, hauteur et période

         La fréquence d’un son indique le nombre d’oscillations complètes de l’onde effectuées par seconde. Elle s’exprime en Hertz (Hz), mesure équivalente à une seconde^-1. En d’autres termes une fréquence de un hertz signifie que l’onde effectue une oscillation complète  (d’une longueur égale à la longueur d’onde) en une seconde. Comme nous l’avons vu précédemment ; la période est l’inverse de la hauteur. Elle s’exprime donc en seconde et nous donne simplement la durée que met une onde à parcourir une distance d’une longueur d’onde, soit le temps qu’elle prend pour réaliser une oscillation complète.                   

         En musique, la fréquence est plutôt désignée par le nom de hauteur. Ainsi, plus la fréquence d’un son est élevée, plus celui-ci est aigu.

         On parle de sons graves pour une fréquence inférieure à 20 Hz, de sons mediums pour des fréquences comprises entre 500 et 3000 Hz, et de sons aigus pour des fréquences supérieures à 3000 Hz.

 

Pour un son grave, la distance entre deux crêtes est plus grande : il y a moins d’oscillation en une seconde que quand le son est plus aigue

 

                               d) L’intensité

         L’intensité d’un son, appelée aussi volume, est déterminée par l’amplitude de l’onde : plus l’onde est ample, plus l’intensité du son est forte. L’amplitude est donné par l’écart maximal de la grandeur qui caractérise l’onde. Pour le son, onde de compression, cette grandeur est la pression. L’amplitude sera donc donnée par l’écart entre la pression la plus forte et la plus faible exercée par l’onde acoustique.

 

                    

                               3 amplitudes différentes, 3 volumes du plus faible au plus fort ( rouge - vert - bleu )

 

         Sur ce graphique (figure 6) on a pris une échelle simplifiée allant de -100 à 100, écart qui correspond à une certaine variation de pression.

 

                            e) Le timbre

         C’est cette caractéristique du son qui permet de différencier deux sons de même hauteur et de même intensité. Par exemple on peut jouer un même son (même volume, même fréquence) au piano, à la guitare et à la clarinette sans pour autant qu’il nous paraisse identique. Cette sensation différente est donc dû au timbre, c'est-à-dire à la « forme » du son.        

         Ainsi, la pression exercée par une source de vibration peut varier avec une même période pour deux instruments de musique, mais sans que la pression à l’origine du son évolue de la même façon.

         Ci-dessous, on a enregistré les variations de deux sons de même période et de même intensité, l’un formé par une guitare et l’autre formé par une trompette : on peut voir facilement la différence de variation de pression au cours du temps.

 

 

                                 

         Les sons peuvent ainsi être de différents types, déterminés par leur timbre. On distingue les sons purs (ceux émis par un diapason) opposés aux sons complexes, ou riches (émis par la plupart des instruments de musique, par la voix).  Ces différences de timbres sont dues à plusieurs éléments, que nous développerons dans la seconde partie de notre dossier.

 

         Apres ces explications, nous savons maintenant ce qu’est un son. Pourtant, avant que le son, ou l’onde acoustique existe, il faut nécessairement qu’elle soit créée. Alors comment, se produisent tous ces sons qui emplissent notre vie, notamment ceux qui proviennent des instruments de musique, mais aussi de notre voix ?  

         C’est à cette question parmi d’autres que nous essayerons de répondre dans la suite de nos Travaux Personnels Encadrés.   

 

 II) Emission

 

         II-1) Quelle est l’origine du son ?

 

Pour qu’un son soit créé, il faut un dispositif, naturel (la gorge de l’homme par exemple) ou artificiel (les instruments de musique), qui soit composé de deux parties essentielles : un système mécanique vibrant et une structure résonnante.

 

         II-1-1) La source de vibration  

        

La source vibrante, appelée excitateur, a pour fonction principale, comme son nom l’indique, de vibrer. Cette vibration provoque alors un mouvement de l’air, ou d’un autre milieu environnant, d’avant en arrière, ce qui est la définition d’une onde acoustique. Cette onde aura donc la même fréquence que celle à laquelle vibre l’excitateur.

         On peut se demander pourquoi certains mouvements que l’on effectue ne produisent pas de sons alors que l’on fait vibrer le milieu alentour. Par exemple, si on agite un éventail, on ne percevra sans doute aucun son, ni bruit. Ceci est dû à la fréquence de vibration de l’onde ainsi produite.

En effet, l’oreille humaine ne perçoit les sons qu’au dessus de 16 Hz (16 vibrations par seconde), et puisqu’il est difficile d’agiter un éventail à raison de 16 fois par seconde, il est normal que nous n’entendions donc aucun son. En fait, une onde se produit, mais celle-ci est qualifiée d’infrasonore (en dessous de 16 Hz).         

 

Chez l’homme, la structure vibrante est constituée par les cordes vocales, qui, grâce à leur tension modulable, nous permettent de faire varier la fréquence du son émis.

Avec un diapason, c’est directement ses branches que l’on fait vibrer.

Pour les instruments à cordes, ce sont les cordes qui entrent en vibration ; soit d’une manière libre, pour les cordes frappées ou pincées ; soit d’une manière forcée, pour les cordes frottés.

Les percussions produisent un son le plus souvent par l’intermédiaire de la vibration de la peau (membrane qui recouvre l’instrument).

Les instruments à vents se séparent en plusieurs groupes : l’air entre en vibration au niveau de l’embouchure, qui crée une série de remous et de tourbillons suivant deux systèmes :

  - d’une part, on regroupe les bois, dans lesquels les vibrations sont engendrées par l’anche (fine lame de bois fixée sur le bec de l’instrument) sous le souffle du musicien.

  - d’autre part, les cuivres, qui font entrer l’air en vibration par la vibration même des lèvres du musicien.

        

 

 

 

                   II-1-2) La structure résonante

        

         La structure résonante a pour but de rendre les sons audibles : elle va amplifier certains sons qui lui parviennent. C’est donc cette partie du dispositif qui est responsable de l’émission sonore.     

         Chez l’homme, le rôle de la structure résonante est joué par la gorge (notamment par le larynx et le pharynx) et la cavité bucco-nasale.

 

Remarque : Ces considérations s'appliquent aux sons voisés, par opposition aux sons soufflés, tels que "ch" dans "chut" ou "f" dans "fête", qui ne requièrent pas l'usage des cordes vocales. En temps normal, les cordes vocales sont relâchées et n'obstruent pas le larynx, de telle sorte que l'air puisse y circuler librement.

 

         Pour les instruments de musique, cette fonction est remplie généralement par l’air d’une caisse ou d’un tube associé à l’excitateur. Voici le fonctionnement d’une caisse de résonance : lorsqu’une onde sonore rencontre une paroi, une partie du son est absorbée et l’autre réfléchie. Lorsque les ondes se rencontrent, elles s’additionnent et le son qui en résulte est plus fort, c'est pourquoi l'on parle alors d’amplification.

 

 

 

 

        

         II-2)Comment sont les sons produits par les instruments de musique ?        

                   II-2-1) Fondamentales, harmoniques et ondes stationnaires

 

         Lorsqu’on fait vibrer un corde ou quand on souffle dans un instrument à vent, on obtient un son riche, dit alors musical. Mais comment un instrument de musique peut-il parvenir à créer un tel son ?

         Ce son est en fait la résultante de vibrations en mode fondamental (ou premier harmonique) et aux harmoniques. 

          

                            a) Les cordes

         Lorsqu’on fait entrer une corde tendue en vibration, on peut obtenir plusieurs cas de figure.

         Grâce à la force de Laplace, on peut faire subir à la corde des oscillations forcées. Pour une certaine fréquence du courant qui parcourt la corde, on observera un seul fuseau : on dit que la corde vibre selon son mode fondamental, ou premier harmonique. Si on double cette fréquence , on observera deux fuseaux, si on la triple, trois fuseaux etc… Pour ces autres fréquences, les modes de vibration sont appelés harmoniques. Quand il se produit ainsi des fuseaux importants, on dit que la corde entre en résonance. Par contre, si on choisit une fréquence qui n’est pas un multiple entier de la fréquence fondamentale, les oscillations seront beaucoup moins amples presque indétectables à l’œil nu. Ces fréquences pour lesquelles la corde vibre avec une amplitude importante sont appelées fréquences propres de la corde.

         Remarque : Si on augmente la tension de la corde, la longueur des fuseaux s’accroît, et les fréquences propres varient.

         Les modes fondamental et harmonique correspondent donc à certaines fréquences. En effet, la longueur d’un fuseau est égale à la moitié de la longueur d’onde ainsi créée. Avec L la longueur de la corde, f la fréquence de l’onde et V sa vitesse, on aura donc lorsqu’il n’y a qu’un unique fuseau :

                                                        f₀ = V/2L = (1/2)V/L

                   pour deux fuseaux          f₁ = V/(2L/2)*V = V/L = 2f₀

                   pour trois fuseaux           f₂ = V/(2L/3) = (3/2)V/L = 3f₀

                   pour quatre fuseaux        f₃ = V/(2L/4) = 2V/L = 4f₀ et ainsi de suite…

On a donc f₀ = f₁/2 = f₂/3 = 4f₃/4 = f_k/(k+1) (avec k entier)

         F₀ est donc la fréquence fondamentale, tandis que f₁, f₂, f₃ , f_k sont ses harmoniques.

         De même, lorsqu’il n’y a qu’un fuseau, la longueur de la corde est égale à la longueur de ce fuseau. On a donc : L = longueur du fuseau =  λ/2. Si on multiplie par n la fréquence, la longueur d’onde est divisée par n car la vitesse reste constante.

         On a alors : λ_n = λ/n d’où λ = n λ_n , avec λ_n cette nouvelle longueur d’onde,

                   et donc L = λ /2 = n(λ/2)

Il faut donc que la longueur de la corde soit un multiple de la demi-longueur d’onde pour que la corde entre en résonance   

         Les endroits de la corde situés aux extrémités des fuseaux ne bougent pas : ils ont une amplitude de vibration nulle et on les appelle des nœuds d’amplitude. Au contraire, au milieu de l’intervalle entre deux nœuds, l’amplitude de vibration est maximum : ce point est appelé ventre d’amplitude. Les nœuds, de même que les centres des ventres, sont équidistants. Entre un nœud et un ventre, les amplitudes mesurées sont intermédiaires.

                   

         *Un fil conducteur parcouru par un courant d’une certaine intensité placé dans un champ magnétique produit une force électromagnétique perpendiculaire au conducteur et au vecteur de champ magnétique. La force ainsi créée est appelée force de Laplace.

 

         Lorsque l’on pince une corde, il se produit un autre phénomène : l’onde va se réfléchir sur les extrémités. Les onde incidentes et réfléchies vont alors se superposer et former des ondes stationnaires.   

 

Sur le schéma ci-dessous, on a pris l’exemple d’une onde mécanique quelconque qui se réfléchit sur un mur : c’est le même phénomène qui se produit quand l’onde de la corde d’une guitare rencontre l’extrémité où elle est fixée.

 

 

 

C’est cette variation d’amplitude constante qui est à l’origine du son : la corde va imprimer une pression sur l’air de bas en haut et de haut en bas, et ceci d’une manière périodique. L’onde longitudinale progressive se transforme ainsi, par l’intermédiaire d’une onde stationnaire, en l’onde longitudinale qu’est le son. Ce dernier aura donc pour fréquence celle de l’onde qui parcourt la corde.

 

         Cependant, même si le principe est le même, ce modèle n’est pas l’exacte reproduction des phénomènes qui se produisent sur une corde d’un instrument de musique. En effet, contrairement à cet exemple, les cordes d’un instrument sont fixées à leurs deux extrémités, ce qui provoque une réflexion de l’onde sur les deux cotés de cette corde.

         Si le système est stable (il faut que les ondes consécutives qui se propagent dans le même sens soient en phase c'est-à-dire que L = n(λ/2) ), l’amplitude de vibration des ventres est donc largement supérieure à deux fois l’amplitude de la source ( dans le cas d’une onde créée par un archet, donc si la corde est soumise à des oscillations forcées ) : ceci est dû à la superposition du très grand nombre d’ondes réfléchies. Bien sûr, l’amplitude de l’onde n’augmente pas indéfiniment à cause de l’amortissement.

        

 

                            b) Les vents

         Le phénomène des ventres et des noeuds stationnaires se reproduit dans les plupart des instruments à vent, en particulier pour ceux munis d’un tube. En effet, on peut facilement mettre en évidence des ventres et des noeuds  à l’aide d’un tube, d’un haut-parleur alimenté par un G.B.F, d’un microphone relié à un oscilloscope. On place le haut-parleur en dessous du tube, on positionne le microphone au-dessus ou dedans, sur plusieurs niveaux. Pour certaines fréquences, l’air va subir des oscillations forcées et le tube va entrer en résonance. Ces fréquences possèdent les mêmes caractéristiques que celles des cordes, ce sont les fréquences propres du tubes, fondamentale et harmoniques.

         On distingue les ventres et les nœuds grâce à l’oscilloscope : si l’amplitude de la tension obtenue est grande, c’est que la pression à cet endroit est forte : on est donc en présence d’un ventre de pression. Au contraire, si l’amplitude du courant est faible, le microphone est au niveau d’un nœud de pression. On notera qu’un nœud de pression correspond à un ventre de vibration, et qu’un ventre de pression correspond à un nœud de vibration.

         Si le tube est ouvert des deux cotés, sa longueur, de la même manière que pour les cordes, doit vérifier L = n(λ/2), avec n entier, pour qu’il entre en résonance. Par contre, si le tube est bouché à une de ses extrémités, ce qui est quasiment le cas pour une flûte de pan par exemple, on devra avoir L = (2n+1)(λ/2) pour que ce tuyau entre en résonance. Un ventre de vibration se trouvera alors à l’embouchure et un nœud à l’extrémité fermée.

 

         Dans ces tubes se produisent aussi, comme pour les cordes, des ondes stationnaires. Celles-ci sont soit issues de la réflexion de l’onde incidente sur une extrémité fermée, soit sur une embouchure. En effet, lorsque l’aire de propagation de l’onde varie brutalement, on observe une certaines réflexion de cette onde.

         Remarque : Contrairement aux ondes stationnaires de le corde, ces ondes sont déjà longitudinales.

 

 

                   II-2-2) De quoi est composé un son musical ?

        

         Les sons musicaux sont des sons composés (ou riches). Effectivement, comme ce terme l’indique, un son musical provient d’un son composé, non par une unique fréquence fondamentale ou harmonique, mais par un ensemble constitué d’une fréquence fondamentale et de plusieurs harmoniques.

         Par exemple, le son d’un diapason est dit pur, il n’est donc formé que par une seule fréquence fondamentale. Sa représentation est sinusoïdale :

        

 

        

 

 

 

        

          

        

 

        

        

 

 

         Au contraire, le son de vrais instruments de musique est riche, bien que périodique, il n’est pas une sinusoïde parfaite :

                                  

 

         Les sons musicaux se décomposent donc en plusieurs fréquences, comme l’a montré Fourier en 1801 par sa loi : par celle-ci, il est démontré mathématiquement qu'un mouvement périodique complexe se décompose toujours en une somme de sinusoïdes dont les fréquences sont des multiples entiers du son fondamental. En voici l’illustration :

 

                                                              la vibration (en trait gras) résulte de l' addition d' harmoniques de fréquences N (courbe bleue), 2N (courbe violette) et 4N (courbe jaune)

 

         D’autre méthodes de décompositions, dites spectrales, nous donnent ce type de représentation :

                           

            On voit sur ce graphique que cette note sol 2, jouée par une guitare, est composée de fréquences de 196 Hz ; 393 Hz ; 590 Hz.

 

 

 

 

        

 

 

 

 

 

         Nous savons dès lors de quelle manière est émis un son, à quoi il correspond, et par quoi il est composé. Mais ne n’avons pas encore étudier les moyens par lesquels il est perçu : c’est la tâche à laquelle nous allons nous atteler dans notre dernière partie.

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 III) Réception

 

III-1) Anatomie de l’oreille :

 

         L’oreille comprend 3 parties (voir figure 1) :

 

III-1-1) L’oreille externe

 

avec le pavillon et le conduit auditif fermé par une membrane élastique (comme celle d’une peau de tambour)

 

III-1-2) L’oreille moyenne,

qui contient les osselets reliant le tympan à la fenêtre ovale et assurant la transmission des vibrations du tympan.

Elle se présente comme une cavité prolongée en avant par la trompe d’Eustache qui aboutit dans le pharynx, à chaque déglutition elle assure l’équilibre de pression entre l’oreille moyenne et l’extérieur, condition indispensable à la mobilité du tympan : son obstruction par les végétations adénoïdes chez l’enfant pourra être source d’infections : les otites moyennes ; son obstruction lors d’un rhume diminue les capacités auditives. 

                  

 

                  

En arrière, l’oreille moyenne communique avec les cellules mastoïdiennes creusées dans l’os temporal, la mastoïdite correspond à leur infection.

 

                   III-1-3) L’oreille interne (agrandie sur la figure 1)

 

       Elle comprend une cavité rigide de forme complexe, le labyrinthe osseux, dans laquelle flotte un organe souple et creux de forme comparable : le labyrinthe membraneux. Il contient deux liquides, l’endolymphe et la périlymphe.

L’endolymphe occupe la cavité interne du labyrinthe membraneux et la périlymphe l’espace qui le sépare du labyrinthe osseux. Deux membranes s’opposent à l’écoulement de la périlymphe dans l’oreille moyenne : la fenêtre ovale, déjà citée, et la fenêtre ronde.

Le labyrinthe est formé de deux parties: le limaçon et le vestibule.

 

Le vestibule membraneux comprend deux cavités arrondies, l'utricule et le saccule, et trois canaux semi-circulaires situés dans trois plan perpendiculaires. Son rôle est capital dans l'équilibre puisque ces trois plans représentent les trois dimensions et donc l'espace. Les canaux semi-circulaires occupent la plus grande partie de l'oreille interne. Chaque canal contient un liquide et des cils sensitifs reliés à des cellules réceptrices qui transmettent les informations au cervelet.

 

Les récepteurs vestibulaires comprennent deux taches situées, l'une dans l'utricule, l'autre dans le saccule, et trois crêtes situées dans des ampoules occupant la base des canaux semi-circulaires

(figures 2 et 3).

        

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Les récepteurs vestibulaires sont sensibles à la pesanteur, et la disposition des canaux semi-circulaires dans trois plans perpendiculaires est en rapport avec l'espace à trois dimensions. Si notre tête occupe une position inhabituelle, les influx vestibulaires tendent par voie réflexe, à rectifier cette position. Privé de ses labyrinthes l'Homme serait incapable de se tenir debout.

 

Le limaçon, ou cochlée (figure 4), a la forme d'un petit escargot dont la spirale décrit un peu plus de deux tours et demi. Deux membranes divisent sa cavité en trois parties:

la rampe vestibulaire, aboutissant à la fenêtre ovale

la rampe tympanique, aboutissant à la fenêtre ronde, et communiquant entre elles au sommet et renfermant de la périlymphe

Le canal cochléaire, situé entre les deux rampes, renferme de l'endolymphe.

 

                  

 

                                              

                       

 

 

La membrane basilaire comprend une partie osseuse dans l'épaisseur de laquelle est logée le ganglion spinal de Corti, et une partie souple qui renferme des fibres élastiques transversales. La largeur de la bande souple s'accroît régulièrement de la base au sommet du limaçon.

L'organe de Corti est une bande sensorielle hélicoïdale ( en forme d'hélice), faite de cellules en rapport avec des neurones dont les corps cellulaires sont situés dans le ganglion spinal de Corti et dont les axones se regroupent en formant le nerf cochléaire.

 

 

 

Les nerfs cochléaires et vestibulaires s'unissent en donnant le nerf auditif. Il existe environ 30 milles fibres nerveuses dans chaque oreille. Ces fibres sont reliées au tronc cérébral et au cortex auditif du cerveau.   

 

 

 

III-2) Fonctionnement de l'oreille

 

III-2-1) l'oreille externe

 

Le pavillon capte et concentre les ondes sonores, tout en amortissant la brutalité du passage de l'air libre à l'air déjà présent dans le conduit auditif. Puis, ces ondes acoustiques passent à travers le conduit auditif, en se comportant comme des ondes rectilignes sur une longueur d'environ deux à trois centimètres avant de rencontrer la membrane du tympan. Il se met alors à osciller sous l'effet des variations de l'onde dans le conduit.

 

III-2-2) l'oreille moyenne

 

Le rôle de l'oreille moyenne est double : elle doit tout d'abord protéger l'oreille interne de sons trop puissants et elle transforme les vibrations aériennes arrivant de l'oreille externe en action mécanique analysable par l'oreille interne grâce au fonctionnement mécanique des osselets, c'est-à-dire du marteau, de l'enclume et de l'étrier. Ce phénomène mécanique permet de limiter la perte d'énergie due à la transmission de vibrations d'un milieu gazeux (oreille externe) à un milieu liquide (oreille interne).

Cette transformation de l'information sonore se déroule donc ainsi : les vibrations du tympan entraînent successivement celles du bloc marteau-enclume, puis celles de l'étrier, qui les transmet à l'oreille interne via la fenêtre ovale (voir schéma).

On peut ajouter qu'à partir de 80 décibels, un réflexe protecteur est mis en place afin de réduire la transmission de pression vers l'oreille interne par une inhibition des mouvements des osselets par les muscles qui les lient à l'oreille.

 

III-2-3) l'oreille interne

 

L'analyse des perturbations mécaniques qui vont se propager dans l'oreille va se faire grâce à l'organe le plus important de l'ouïe : l'organe de Corti. Comme on l'a vu, cet organe est composé de 14000 cellules ciliées au contact desquelles prennent naissance les fibres du nerf auditif. Sous l'effet du son, la fenêtre ovale va donc bouger, faisant se déplacer la membrane basilaire : les cellules ciliées internes, solidaires de cette membrane, s'inclinent et vont envoyer des impulsions nerveuses. En effet, sous l'effet de ce déplacement, les fibres liées aux cellules de Corti sont excitées et transmettent donc un message nerveux jusqu'à leur rassemblement dans le nerf vestibulaire.

 

 

 

Cependant, ce mécanisme ne fonctionne que pour un niveau sonore supérieur à 50 décibels car en dessous de ce seuil, la membrane basilaire se déforme, pas suffisamment pour incliner les cellules ciliées internes mais le liquide contenu, la périlymphe, va entrer en résonance créant des ondes hydrauliques. Le limaçon entre alors en jeu : les cellules ciliées externes des ganglions spinaux de Corti réparties entre les deux rampes vont ressentir, accentuées par la forme d'escargot du limaçon, les différences de pression les plus minimes entre les deux liquides (périlymphe, en mouvement, et endolymphe) et donc vont envoyer des impulsions dans le nerf cochléaire.

 

III-2-4) Le message nerveux auditif

 

Il est donc l'expression conjointe des informations de deux nerfs qui se rejoignent avant le cerveau sous le nom de nerf auditif ou nerf VIII : le nerf vestibulaire, issu du vestibule membraneux, et le nerf cochléaire, issu du limaçon (ou cochlée), transmettent des informations sur le son relatives à la fréquence, l'intensité et à la composition des vibrations, ainsi que celles qui se rapportent à la position de la source sonore dans l'espace. On peut ajouter que, pour la position de l'origine du son, la forme des canaux semi-circulaires formant l'origine d'un plan en trois dimensions a une très grande importance puisque les trois dimensions sont représentées par ces trois canaux.

Le nerf VIII ne contient pas moins de 35000 fibres nerveuses (soit 10 par cellule ciliée) qui transmettent au cerveau des informations identiques entre elles. Ce nerf pénètre dans le tronc cérébral au niveau du bulbe rachidien. Après plusieurs relais synaptiques, les fibres auditives parviennent à l'écorce cérébrale : elles sont alors cent fois plus nombreuses car le nombre de neurones disponibles augmente à chaque relais.

Il faut moins de vingt millisecondes pour que les ondes sonores soient transmises au cerveau sous la forme d'un stimulus nerveux. Le traitement simultané de l'information sensorielle par le cortex auditif permet de garder au message sa globalité et son intelligibilité initiale : l'individu entend, localise, comprend le son.

                           

 

             

 

 

Le trajet du son (représenté ici de haut en bas) à travers notre système nerveux suit les étapes suivantes :

 

 

 

 

                  III-3) La perception humaine du son

 

On le sait bien, les mêmes sons ne sont pas perçus de la même façon par des individus et cela est bien souvent dû une différence d'âge. De plus, deux sons de même fréquence peuvent être entendus de façon différente grâce à des variations des conditions d'écoute.

Tout d'abord, on sait que le son est défini de deux manières : c'est tout d'abord pour les physiciens le phénomène physique d'origine mécanique consistant en une variation de pression correspondant à une onde. Mais il peut être défini également d'une manière subjective : c'est alors la sensation procurée par cette onde, qui est reçue par l'oreille puis transmise au cerveau et déchiffrée.

 

 

 

III-3-1) Quels sont les sons que l'on entend ?

 

Il faut savoir que l'oreille humaine ne perçoit pas tous les sons, au contraire, elle n'en entend qu'une petite partie : il s'agit des ondes dont la fréquence est comprise entre 20 et 20 000 Hertz. On parle, au-dessus de 20 000 Hz d'ultrasons et en dessous de 20 Hz d'infrasons.

 

III-3-2) Quel est le seuil d'écoute de l'oreille ?

 

L'oreille, par l'intermédiaire du tympan, peut mesurer une variation de pression infime de l'ordre de 2.10^-5 Pa (pascal) alors que la pression atmosphérique est de 100 000 Pa environ. Cette variation seuil correspond à un son de 0 décibel (dB) mais peut bien sûr varier avec l'âge et l'état des différents étages de l'oreille. Quant au maximum supportable, il correspond à une pression de 20 Pa.

 

III-3-3) Qu'est-ce que les décibels ?

 

Les décibels ont été créés par Alexander Graham Bell, célèbre physicien américain d'origine britannique, pour faciliter l'utilisation d'une si large échelle de différences de pression, entre la pression seuil et la pression maximale supportable. Cette grandeur, appelée aussi niveau sonore, exprimée en décibels est reliée à la pression par la formule :

S = 10 x log (P _r ² / P _min ² )

avec S en décibels (dB), P _r et P _min, respectivement pression ressentie et pression seuil, exprimées en Pascals (Pa).

Par exemple, quel est le niveau sonore maximal, c'est à dire celui ressenti lorsque la pression analysée  par l'oreille est de 20 Pa ?

S = 10 x log (20 ² / 0,00002 ²)

S = 120 dB

Cette échelle est donc graduée de 0 à 120 dB pour des sons audibles sans conséquences. Lorsque la pression dépasse 20 Pa, on peut atteindre le seuil de douleur, dépassant donc les 120 dB. C'est le cas des bang des avions supersoniques ou du bruit des réacteurs d'avion en fonctionnement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Audition	dB	Types de bruits possibles
Silence   Très calme   Assez calme   Bruits courants   Pénible   Difficilement supportable   Seuil de douleur	0-10   11-25   26-50   51-75   76-95   96-120     +de 120	Laboratoire d'acoustique, désert…   Feuilles agitées par le vent, conversation à voix basse…   Appartement normal, restaurant tranquille…   Grands magasins, circulation importante…   Klaxons d'autos, radio très puissante…   Marteau piqueur, concert sonorisé de rock…     Réacteurs d'avions, bang d'un Mirage III…

 

 

Il faut savoir que des sons entendus dans le même temps ne s'additionnent pas de façon linéaire. Deux sons de 75 dB donnent, "additionnés", un son de 78 dB. C'est la différence entre les deux niveaux sonores qui permet de savoir quel niveau final on obtient.

 

 

 

                III-3-4) Quels sont les différents critères qui vont faire varier notre perception de la musique ?

 

                            a) La sonie, caractéristique subjective

         La sonie concerne la force sonore au sens physiologique. C'est la sensation que provoque un son suivant bien sur la fréquence de la note jouée mais surtout suivant la pression acoustique. Pour provoquer une sensation à l'oreille pour une fréquence de 4000 Hz, la variation seuil de pression suffit, alors que pour une fréquence de 50 Hz, il faut une variation de pression 1000 fois supérieure. Il est donc normal que le seuil de douleur diffère avec les fréquences. Il est donc possible de définir des courbes d'isosensation pour des niveaux sonores donnés de 1000 Hz appelés phones. Les courbes établies grâce à l'étude de la sonie l'ont été par FLETCHER et MUNSON, éminents physiciens américains (?), en 1918

On remarque par exemple que pour des fréquences allant de 1000 à 6000 Hz, les sons paraissent beaucoup plus forts, alors que les niveaux de pression sont égaux.             

 

                                       

        

 

                            b) La dynamique et les instruments de musique

La dynamique est une caractéristique propre à un instrument de musique et, par extension, à chaque partition musicale. Son étude permet de connaître la variation maximum d'émission, du son grave à l'aigu, et l'écart le plus grand possible entre les sons fortissimo et les sons pianissimo.

Ainsi, les musiques présentant de grandes différences de dynamiques auront la particularité d'avoir des niveaux de perception de sons très faibles à certains moments et très forts à d'autres. Quant aux musiques à faible dynamique, elles présenteront un niveau relativement constant pour l'auditeur ce qui présentera l'inconvénient de ne pas offrir à l'oreille de temps de repos pour le système auditif. C'est le cas par exemple de la musique compressée qui est diffusée à la radio.

 

                III-3-5) Les effets néfastes du bruit

     Le bruit, défini par une accumulation de sons non ordonnés entre eux, a des effets sur l'organisme dès 75 dB : c'est en effet à partir de ce niveau sonore que la tension artérielle et le rythme cardiaque s'élèvent à cause des informations de danger diffusées par le cerveau. Car dès ce niveau d'écoute, des lésions peuvent survenir au niveau des cellules auditives, du tympan, ou pire encore du nerf auditif lui-même. Ces lésions ne sont pas perçues immédiatement par un individu jeune, qui possède des réserves, avant d'être ressenties, l'âge avançant… il convient donc de préserver nos cellules en évitant des overdoses de puissance musicale dépassant la norme internationale qui limite les expositions sonores, dans le milieu d travail, à une exposition à 105 dB, seulement 45 minutes par jour. Il existe également nombre de maladies de l'oreille comme la mastoïdite, affection des cellules mastoïdiennes, ou encore les acouphènes, qui sont des bruits gênants émis par l'oreille interne suite à un blast, choc sonore comme celui d'un pétard du 14 juillet…                                               La capacité auditive décroît plus ou moins dans la vie de chaque être humain. En effet une exposition prolongée à des bruits forts (en usine par exemple) détruit progressivement les cellules auditives. Les cellules les premières touchées sont celles transmettant les sons aigus. De plus, il n'existe pas de réserves infinies de remplacement des cellules auditives et particulièrement des cellules ciliées. On peut donc devenir sourd de trois façons

-         lorsque la transmission oreille externe à moyenne ne se fait plus (tympan altéré)

-         lorsque la perception n'est plus réalisée par les cellules ciliées

-         lorsque ces deux phénomènes sont présents en même temps

 

On peut donc conclure que la perception des sons et du bruit doit toujours se faire sans excès car l'oreille est un organe fragile à tous ses niveaux (externe, moyen et interne) et qu'une perte d'audition est très vite arrivée et est souvent irréversible.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                ANNEXES

 

 

 

 

                                SOURCES

 

Voici les documents principaux dont nous nous sommes servis pour réaliser ces TPE :

 

     Livres :       Initiation aux sons de Denis Fortier et Frank Ernold

                      L’oreille et la voix du Dr Alfred Tomatis

                       Livre de spécialité physique de Terminale Scientifique

 

Sites web :      http://www.univ-pau.fr

                      http://www.iurc.montp.inserm.fr

                   http://users.swing.be/b_welding/tfe.htm

                   http://www.metronimo.com/fr/

                   http://site.voila.fr/scientifique/html/sons1.htm

                  

 

              

                     

 

 

 

 

        

 

        

        

 

                        CONCLUSION

 

Nous connaissons maintenant les mécanismes qui nous permettent d’émettre un son puis de le recevoir. Pourtant ce dossier est loin d’être exhaustif : Chaque fois que l’on se prête à quelque approfondissement dans un domaine particulier, on découvre de nouvelles précisions, de nouvelles explications qui conduisent elles-mêmes à une quantité impressionnante d’informations.

 

On aurait pu, par exemple, s’intéresser plus fortement à l’aspect musical du sujet mais cette démarche s’éloigne de ces TPE.

 

Le son, ou plutôt l’onde acoustique, n’est-il utile qu’à la musique ?

 

On peut se le demander sérieusement. Certains ont pensé en faire une source d’énergie.