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Un peu de son

Tout d’abord, quelques informations sur le son. Si vous posez délicatement votre doigt sur un haut-parleur, vous le sentirez vibrer – s’il joue une note grave fort, vous pourrez le voir bouger. Lorsqu’il se déplace vers l’avant, il comprime l’air à côté de lui, ce qui augmente sa pression. Une partie de cet air s’écoule vers l’extérieur, comprimant la couche d’air suivante. (En savoir plus sur les haut-parleurs.) La perturbation de l’air se propage sous la forme d’une onde sonore qui se déplace. Finalement, cette onde sonore provoque une toute petite vibration dans votre tympan – mais c’est une autre histoire.

Fréquence

En tout point de l’air proche de la source du son, les molécules se déplacent d’avant en arrière et la pression de l’air varie vers le haut et vers le bas de très petites quantités. Le nombre de vibrations par seconde est appelé la fréquence (f). Elle est mesurée en cycles par seconde ou en Hertz (Hz). La hauteur d’une note est presque entièrement déterminée par la fréquence : une fréquence élevée correspond à une hauteur élevée et une fréquence faible à une hauteur faible. Une vibration de 440 vibrations par seconde (440 Hz) est entendue comme la note A dans la clé de sol, une vibration de 220 Hz est entendue comme le A une octave en dessous, 110 Hz comme le A une octave en dessous et ainsi de suite. Nous pouvons entendre des sons de 15 Hz à 20 kHz environ (1 kHz = 1000 Hz). Un contrebasson peut jouer le si b0 à 29 Hz. Lorsque cette note est jouée fort, vous pouvez entendre les impulsions individuelles de haute pression émises lorsque l’anche s’ouvre et se ferme 29 fois par seconde. L’oreille humaine est plus sensible aux sons compris entre 1 et 4 kHz, soit environ deux à quatre octaves au-dessus du do moyen. C’est pourquoi les piccoloïstes ne doivent pas travailler aussi fort que les tubistes pour se faire entendre. (Ce lien permet de convertir les notes, les fréquences et les numéros MIDI)

La famille des instruments à vent

Certains des instruments à vent sont représentés sur la photo de droite. (Cliquez sur la piecture pour une version agrandie.) Une règle de mètre à gauche donne la gamme. De gauche à droite, on trouve le basson, la clarinette, le saxophone alto, le cor anglais, le hautbois et la flûte. Les notes les plus basses sont Bb1 (58 Hz) au basson, C#3 (139 Hz) ou D3 à la clarinette A ou Bb, C#3 au saxophone alto, E3 (165 Hz) au cor anglais, Bb3 (233 Hz) au hautbois, B3 ou C4 (262 Hz) à la flûte. Le tableau n’est pas complet : à la flûte, on pourrait ajouter le piccolo (une octave plus haut), la flûte alto (une quarte plus bas) et la flûte basse (une octave plus bas). De même, il y a la clarinette soprano, alto et basse ; la musette, le hautbois d’amour et le hautbois basse, le contrebasson et plusieurs saxophones : sopranino, soprano, alto, ténor, baryton, basse et contrebasse. (Sur cette image, les crochets (fins tubes métalliques reliant l’anche au corps) du basson et du cor anglais ont été tournés de 90° pour montrer leur forme. Avec les instruments positionnés comme indiqué, la crosse du basson devrait normalement faire saillie vers le spectateur, et la crosse du cor anglais devrait se courber vers l’extérieur).

Les instruments à vent en bois ont une longue et fine colonne d’air. La note la plus grave est jouée avec tous les trous de timbre fermés, lorsque la colonne est la plus longue. La colonne est raccourcie en ouvrant les trous successivement, en commençant par l’extrémité ouverte. À l’autre extrémité se trouve un élément qui contrôle le flux d’air : un jet d’air pour la famille des flûtes et des anches en roseau pour les autres bois. Nous allons nous intéresser successivement à ces éléments.

La colonne d’air détermine la hauteur du son

Une onde sonore peut parcourir le tube, se réfléchir à une extrémité et revenir. Elle peut ensuite se réfléchir à l’autre extrémité et recommencer. Pour une note dans le registre le plus grave de la flûte, l’aller-retour constitue un cycle de la vibration. (Dans le registre le plus grave des clarinettes, deux allers-retours sont nécessaires : voir Flûtes vs clarinettes). Plus le tube est long, plus le temps nécessaire à l’aller-retour est long, et donc plus la fréquence est basse. Dans les instruments à vent, la longueur effective est modifiée par l’ouverture et la fermeture des trous de doigts ou des trous de serrure sur le côté. C’est de cette façon que la hauteur du son est modifiée dans le même registre de l’instrument : tous les trous fermés donnent la note la plus basse, et l’ouverture successive des trous à partir de l’extrémité inférieure donne une gamme chromatique. (L’utilisation de doigtés simples et croisés pour modifier la longueur de l’onde stationnaire est abordée de manière beaucoup plus détaillée et avec des exemples spécifiques dans Acoustique de la flûte, et les principes sont les mêmes pour tous les bois). La modification de la longueur effective du tuyau n’est cependant pas la seule façon de changer de hauteur : sur tout instrument à vent, on peut généralement jouer plus d’une note avec le même doigté.

La série harmonique

Les ondes sonores montant et descendant de l’instrument s’additionnent pour donner une onde stationnaire, un modèle de vibration de l’air dans l’instrument. Plusieurs modèles différents de ce type sont possibles. Sur une flûte, avec toutes les touches enfoncées, vous pouvez jouer environ sept ou huit notes différentes. Leurs hauteurs (approximatives) sont indiquées ci-dessous. Les fréquences de ces sons sont des multiples entiers de la fréquence de la plus basse (f1). Nous les appelons la série harmonique. Essayez de jouer cette série sur n’importe quel instrument, sans changer le doigté. Vous remarquerez la demi-droite sur la 7ème. (Pour plus de détails, voir Acoustique de la flûte et Acoustique de la clarinette

Huit harmoniques de la note la plus grave sur une flûte.

Les harmoniques et les différents percements de l’instrument

Pourquoi l’air de la flûte peut-il vibrer de ces différentes manières ? Eh bien, le tube est ouvert à l’air aux deux extrémités, la pression est donc assez proche de la pression atmosphérique, mais l’air est libre d’entrer et de sortir. À l’intérieur du tube, la pression peut être plus ou moins élevée, mais l’air est moins libre de se déplacer. Le diagramme de gauche montre les différents modèles ou modes de vibration qui satisfont à la condition de la flûte : pression nulle et vibration maximale aux deux extrémités. Le graphique du haut est le modèle d’une onde dont la longueur est deux fois celle de la flûte (2L, disons), la deuxième a une longueur d’onde de 2L/2, la troisième 2L/3, et ainsi de suite. La fréquence est la vitesse du son divisée par cette longueur d’onde, ce qui donne les séries harmoniques f1, 2f1, 3f1, etc. (Il s’agit d’une légère simplification : le nœud de pression se trouve un peu à l’extérieur du tube, et donc L, la longueur effective du tube qui devrait être utilisée dans ces calculs, est un peu plus longue que la longueur physique du tube. L’effet final est d’environ 0,6 fois le rayon à une extrémité ouverte).

Ces graphiques montrent la configuration des ondes dans les trois colonnes d’air les plus simples : cylindre ouvert, cylindre fermé et cône. La ligne rouge représente la pression acoustique et la ligne bleue représente la quantité de vibration de l’air. Ces tuyaux ont tous la même note la plus basse ou fondamentale. Notez que la plus grande longueur d’onde est égale à deux fois la longueur du cylindre ouvert (par exemple la flûte), deux fois la longueur du cône (par exemple le hautbois), mais quatre fois la longueur du cylindre fermé (par exemple la clarinette). Ainsi, un flûtiste ou un hautboïste joue C4 en utilisant (presque) toute la longueur de l’instrument, alors qu’un clarinettiste peut jouer approximativement C4 (écrit D4) en utilisant seulement la moitié de l’instrument (c’est-à-dire en enlevant le joint inférieur et le pavillon). Important : dans les trois diagrammes, la fréquence et la longueur d’onde sont les mêmes pour les chiffres de chaque rangée. Lorsque vous regardez les diagrammes pour le cône, cela peut paraître surprenant, car les formes semblent assez différentes. Cette distorsion de la forme sinusoïdale simple est due à la variation de la section transversale le long du tube. Voir Tuyaux et harmoniques, où ce point est abordé en détail.

Il y a une discussion plus détaillée des ondes stationnaires dans les tuyaux dans l’introduction à l’acoustique de la flûte, l’introduction à l’acoustique de la clarinette et l’introduction à l’acoustique du saxophone, qui ont également une discussion sur l’utilisation des trous de registre pour produire des harmoniques. Les effets des différents alésages sont abordés plus en détail dans Pipes and harmonics.

Flûtes contre instruments à anche

Les instruments à anche sont différents : l’extrémité dans la bouche du joueur n’est pas ouverte à l’air extérieur, l’air n’est donc pas libre au maximum d’entrer et de sortir. La pression n’est pas fixée à la pression atmosphérique – en fait, elle peut avoir sa valeur maximale à cette extrémité fermée. Prenons l’exemple de la clarinette : elle est principalement cylindrique et est ouverte à l’air extérieur à l’extrémité du pavillon, mais fermée à l’extrémité de la bouche.

Les modèles de vibration que la clarinette peut jouer sont représentés dans le diagramme du milieu. L’onde la plus basse est quatre fois plus longue que le tube (4L’), la suivante est 4L’/3, la suivante 4L’/5 etc. Il ne produit donc que les membres impairs de la série harmonique (voir ci-dessus). Deux conséquences : premièrement, une clarinette peut jouer presque une octave plus bas (deux fois la longueur d’onde) qu’une flûte de la même longueur. Deuxièmement, elle « déborde d’un douzième » – il faut monter de 12 échelons de gamme (3 fois la fréquence) avant de pouvoir recommencer le même doigté. Ceci est expliqué plus en détail dans l’introduction à l’acoustique de la clarinette.

Les alésages des instruments à vent en bois. Les diamètres sont exagérés. La flûte (en haut) et la clarinette (au milieu) sont presque des cylindres. Le hautbois, le saxophone et le basson sont presque coniques (à droite). (Voir aussi Pipes et harmoniques et Flûtes vs clarinettes.)

Les alésages coniques : hautbois, bassons et saxophones

Qu’en est-il des hautbois, bassons et saxophones ? Comme la clarinette, ils sont fermés à une extrémité et ouverts à l’autre, mais la différence est que leurs colonnes d’air ont la forme d’un cône. Les vibrations de pression et de mouvement de l’air qui en résultent sont illustrées dans le diagramme de droite. Lorsque ces ondes sortent dans le monde extérieur, elles ont les mêmes fréquences que celles provenant d’un tuyau ouvert de même longueur. Ainsi, un hautbois, qui a à peu près la même longueur que la flûte ou la clarinette, a une note grave proche de celle de la flûte et, comme elle, il joue toutes les séries harmoniques. Pour en dire plus, il faut faire appel aux mathématiques. Les flûtistes peuvent contrôler le modèle ou le mode de vibration qu’ils produisent par la façon dont ils soufflent. Dans les instruments à anche, il existe un trou d’octave ou de registre qui permet d’obtenir les notes les plus aiguës. Son but est d’ouvrir le tube à l’air extérieur à ou près d’un des points où la pression de l’air doit être atmosphérique pour les hautes vibrations.

Flûtes

Pour mettre l’ambiance, écoutez le flûtiste Geoffrey Collins jouer du Debussy.

Je suppose que la plupart d’entre nous ont déjà joué une note en soufflant sur le haut d’une bouteille. L’air contenu dans la bouteille est élastique et peut vibrer, un peu comme un ressort avec une masse dessus. Lorsque vous soufflez sur le haut de la bouteille, le flux d’air qui sort de vos lèvres peut être dévié vers le haut ou vers le bas par l’air qui se dilate et se contracte dans la bouteille. Lorsque le flux est dévié vers le bas, une partie de celui-ci entre dans la bouteille, ce qui augmente la vibration. Ainsi, la puissance du flux d’air peut soutenir la vibration de la bouteille. (Pour une analyse du son produit en soufflant sur le haut d’une bouteille, voir la résonance de Helmholtz).

L’embouchure de la flûte (schéma ci-dessous) fonctionne sur le même principe – un jet d’air traverse un volume d’air (l’air dans le tube de l’instrument) qui peut vibrer. Ceci est un compte rendu trop simplifié, allez donc suivre ce lien pour une introduction plus détaillée à l’acoustique de la flûte.

Un jet d’air ou une anche excite la vibration

Anchettes Les anches sont constituées de roseau élastique et peuvent vibrer seules. Fixées à l’instrument, elles sont (généralement !) forcées de vibrer à la fréquence naturelle de l’air dans le tube. Lorsque la pression baisse, l’anche a tendance à se fermer et à laisser passer moins d’air, lorsque la pression augmente, l’anche s’ouvre un peu et laisse passer plus d’air. Une fois encore, la puissance du flux d’air provenant des poumons du musicien est utilisée pour soutenir la vibration de l’air dans l’instrument. (Ceci est expliqué plus en détail dans l’introduction à l’acoustique de la clarinette.)

Vous pouvez fabriquer une anche double avec une paille à boire en plastique. Coupez une pointe en forme de V sur l’extrémité de la paille comme indiqué sur le schéma de droite. Mettez l’extrémité coupée dans votre bouche, serrez légèrement avec vos lèvres et soufflez. Le son ressemble probablement à celui d’un hautboïste débutant ! Vous pouvez l' »accorder » en coupant des morceaux de l’autre extrémité, et avec un travail rapide de ciseaux, vous pouvez même jouer un petit air – à condition que les notes aillent uniquement vers le haut !

La clarinette

Pour mettre l’ambiance, écoutez Catherine McCorkill jouer quelques phrases du concerto de Mozart.

La clarinette est dotée d’une anche unique qui oscille, coupant et ouvrant le flux d’air en fonction de la pression dans le tube, donc en principe le fonctionnement est très similaire à celui des anches doubles. Les clarinettes existent en différentes tailles, des sopranos qui font les trois quarts de la taille d’une clarinette normale aux clarinettes contrebasses qui ressemblent à un cauchemar de plombier. Nous avons vu ci-dessus que la clarinette ne possède que les membres impairs de la série harmonique, de sorte que l’écart entre le premier registre et le second est un rapport de fréquence de trois (un douzième musical, ou 19 demi-tons). Tous les autres joueurs de bois peuvent jouer une gamme d’une octave, puis utiliser (presque) les mêmes doigtés pour le registre suivant. Un clarinettiste doit monter douze échelons de la gamme pour répéter les doigtés. Comme cela dépasse le nombre de doigts des joueurs standards, les clarinettes ont quatre ou cinq clés pour les petits doigts et des clés supplémentaires pour les jointures des index. (Voir aussi l’introduction à l’acoustique de la clarinette.)

Le saxophone

Pour mettre l’ambiance, écoutez un mouvement d’un quatuor pour saxophone, flûte, basson et violoncelle.

Le saxophone possède un bec et une anche semblables à ceux de la clarinette, mais il s’agit approximativement d’un tube conique (comme le hautbois et le basson) plutôt que d’un cylindre (comme la clarinette). Il joue donc toutes les harmoniques et possède une octave entre le premier et le deuxième registre. Voir l’introduction à l’acoustique du saxophone. (Voir aussi Pipes et harmoniques pour quelques explications sur l’importance de la perce conique et comment elle modifie les harmoniques).

Le saxophone a un angle de perce plus grand (et donc un diamètre plus large au niveau du pavillon) que tous les autres bois, ce qui permet de jouer plutôt fort. Comme les clarinettes, les saxophones se déclinent en une grande famille allant des minuscules sopraninos aux énormes contrebasses. Nous venons de mettre en ligne une base de données sur l’acoustique des saxophones. Voir ce site français sur le saxophone pour une grande série de photos sur la fabrication des saxophones.

Les anches doubles : Hautbois et bassons

Dans le hautbois et le basson, le son est produit par une anche double (voir le schéma et les photos ci-dessus). Le basson est la basse de la famille des bois – un long tube conique plié, alésé et mandriné dans quatre pièces d’érable. Tous deux ont des alésages coniques, comme le saxophone, mais leur angle plus petit les rend moins forts que le saxophone. Qualitativement, l’anche double partage de nombreuses propriétés de l’anche simple. Cependant, la géométrie est plus compliquée. De plus plusieurs effets que nous avons négligés ici deviennent importants dans les anches doubles.

Plus d’infos sur les bois

• Une introduction à l’acoustique des flûtes
• Une introduction à l’acoustique des clarinettes
• Une introduction à l’acoustique des saxophones
• Flûtes vs clarinettes : une explication de la différence entre les tuyaux fermés et les tuyaux ouverts et leurs séries harmoniques.
• Tuyaux et harmoniques. Pourquoi les instruments coniques fermés (comme le hautbois et le saxophone) ont-ils le même ensemble de résonances que les instruments cylindriques ouverts (comme la flûte) ? (Cela semble être l’une des plus FAQ en acoustique musicale.)
• Accordement des instruments à vent en bois.
• Bases de l’acoustique musicale.