Musique : une histoire de fréquences

De la sonnette de votre immeuble au chant des oiseaux, en passant par la tondeuse à gazon du voisin et le violon de votre neveu, les notes de musique sont partout, mais saviez-vous qu’elles riment avec physique ? N’importe quelle sonate n’est avant tout qu’une soupe de fréquences… Explications.

La danse des molécules d’air

Un son, c’est d’abord une vibration qui se propage, le plus souvent dans l’air. Lorsque vous trinquez pour fêter votre promotion ou votre départ à la retraite, le choc des deux verres fait vibrer les molécules d’air environnantes. Elles se rapprochent, s’éloignent, se rapprochent à nouveau… Une molécule en déplaçant une autre, l’onde se propage jusqu’à rencontrer vos oreilles. La vibration d’air est alors transformée en signal électrique et interprétée par votre cerveau* comme un tintement agréable.

Même si ce processus paraît instantané, la vitesse du son dans l’air est en réalité d’environ 340 mètres par seconde (m/s). En comparaison, c’est beaucoup (beaucoup) moins rapide que la lumière, qui file à 300 000 000 m/s. C’est pour cette raison que le tonnerre arrive parfois bien après l’éclair. Mais cette vitesse dépend avant tout du milieu dans lequel évolue l’onde sonore. Si vous êtes une baleine, votre conversation sous l’eau se propagera bien plus vite : 1 480 m/s. Et ce n’est rien à côté de l’acier, matériau dans lequel une onde sonore peut parcourir plus de 5 000 mètres par seconde (ce qui est d’ailleurs fort utile pour savoir si un train arrive). En revanche, si vous vous perdez dans l’espace, n’essayez pas de crier, personne ne vous entendra : il n’y a pas d’air, donc pas de son.

Fréquence, quésaco ?

Une note de musique correspond à une onde sonore périodique, c’est-à-dire que l’onde se répète selon le même motif à intervalle régulier. Cet intervalle est appelé la période et se mesure en secondes. Dans la représentation suivante, les crêtes correspondent aux moments où les molécules d’air sont les plus rapprochées (pression), et les creux aux moments où elles sont les plus éloignées (dépression).

Représentation schématique d’une onde sonore

Dans cet exemple, la période du motif est de 0,5 seconde. Et la fréquence dans tout ça ? Il s’agit tout simplement du nombre de répétitions par seconde. Elle s’exprime en Hertz (Hz). Cette unité porte le nom d’Heinrich Hertz, un ingénieur et physicien allemand du XIXe siècle. Dans notre exemple, le motif se répète 2 fois par seconde : la fréquence de cette onde est donc de 2 Hz. Plus un son est grave, plus sa fréquence est basse ; plus il est aigu, plus sa fréquence est élevée. Comme le corps humain n’est pas trop mal conçu, nos oreilles sont capables de capter des fréquences allant en moyenne de 20 Hz à 20 000 Hz, ce qui nous offre une assez belle panoplie de sons à entendre. En dessous de 20 Hz, on parle d’infrasons ; au-dessus de 20 000 Hz, d’ultrasons. Toutefois, ces valeurs varient selon les individus et ont tendance à se resserrer avec l’âge. Cette plage, appelée « champ auditif », est le propre de l’être humain. Certains animaux comme le dauphin sont capables de percevoir des fréquences de plus de 100 000 Hz ! Ils utilisent d’ailleurs cette capacité pour se repérer dans l’océan. Pour votre gouverne, sachez que le furet a un champ auditif allant de 16 Hz à 44 000 Hz. Ne sous-estimez jamais un furet.

La musique au diapason

Mais revenons à la musique. En fait, à chaque note de la portée correspond une fréquence. À de rares exceptions près, la musique moderne est réglée sur le « la » 440 Hz, ce qui signifie que lorsque vous jouez un « la » sur une corde de guitare correctement accordée, celle-ci oscille 440 fois par seconde. Et ainsi de suite pour si (494 Hz), do (523 Hz), ré (587 Hz), mi (659 Hz), fa (698 Hz) et sol (784 Hz). Quid du « la » suivant ? Il s’agit de la même note, mais plus aiguë. L’écart entre ces deux « la » est de 8 notes : il s’agit d’une octave. Pour les différencier, on attribue un chiffre à chaque octave. Il y a donc le La1, le La2, le La3… Pour passer d’une octave à l’autre, il suffit de multiplier ou de diviser la fréquence de la note par 2. Ainsi, si par convention le La3 vaut 440 Hz, alors le La2, plus grave, vaut 220 Hz, tandis que le La4, plus aigu, vaut 880 Hz.

Là où le commun des mortels a besoin d’une note de référence, certaines personnes sont capables d’identifier immédiatement la hauteur des notes qu’ils entendent : elles ont l’oreille absolue. Les veinards.

Des instruments complètement timbrés

Comment expliquer qu’une même note chantée par deux personnes sonne différemment ? De même, un do joué sur un piano est très différent d’un do joué avec un trombone à coulisse. Pourquoi ces nuances ?

Chaque instrument de musique, y compris la voix, possède un timbre qui lui est propre, car un son n’est pas en réalité composé que d’une seule onde, mais de tout un arsenal !

Essayons d’y entendre plus clair. Dans le cas d’un simple bruit (celui que fait votre orteil lorsqu’il s’encastre dans un pied de table, par exemple), les ondes sonores émises n’ont rien à voir les unes avec les autres, chacune vit paisiblement sa petite vie d’onde, comme des voyageurs d’horizons divers qui se croiseraient dans un hall de gare. Dans le cas d’un son musical, c’est tout à fait différent. Les ondes émises sont toutes liées de manière proportionnelle : on parle d’harmoniques. Reprenons notre La3. La fréquence de base, appelée « fondamentale », est bien 440 Hz. Mais à cette fréquence s’ajoute une foultitude d’autres fréquences multiples : 880 Hz (2 fois la fondamentale), 1320 Hz (3 fois), 1760 Hz (4 fois)… Ces harmoniques s’expriment de manière plus ou moins forte en fonction des caractéristiques de la caisse de résonance propre à chaque instrument. Violon, saxophone, contrebasse, piano, clarinette… Tous ces instruments ont une forme, une taille et une matière différentes, capables d’agir sur les harmoniques pour créer des sonorités bien distinctes. Votre bouche est une caisse de résonance : c’est en partie pour cela que chaque voix est unique.

La technologie du casque à réduction de bruit active

Les fréquences sont au cœur du mécanisme de ce type de casque si pratique pour ne plus entendre la musique du voisin dans le métro ou simplement s’isoler un moment de la cacophonie ambiante. Comment fonctionne-t-il ? En fait, au moyen d’un micro, le casque analyse en permanence les sons environnants et les traduit en fréquences. Ensuite, il n’a qu’à envoyer à vos oreilles les fréquences inverses, de manière à annuler les ondes sonores parasites, comme une sorte d’antibruit. Ingénieux, non ?