Guide de sensibilisation sur les formats sonores au cinéma
LE SON ET SES ORIGINES
Il y a son lorsqu'il y a vibration de l'air dans des fréquences audibles par l'oreille humaine.
(nous ne parlerons que de l'air car c'est notre milieu acoustique naturel, mais les vibrations sonores se propagent aussi dans les milieux solides: eau, bois, fer, béton, etc...)
Il y a vibration de l'air lorsque les molécules d'air s'agitent de part et d'autre de leur point d'équilibre: point d'équilibre ou point de repos qui correspond au silence (rien ne bouge). Silence qui n'est jamais absolu: l'air est toujours agité, même imperceptiblement : c'est ce qui fait le bruit de fond (le "silence" du milieu acoustique ou de la machine).
Mais ce qui nous intéresse ici est bien sûr le son perceptible et dans ce cas les molécules d'air subissent une série de pressions qui les fait s'agiter de part et d'autre de leur état normal de repos, leur état d'équilibre.
La fréquence de ces "dérangements" périodiques (vibrations) mesurée en Hertz (Hz), est le nombre de fois que les molécules d'air repassent par leur point de repos et dans le même sens en une seconde, ou encore, et ce qui revient au même, le nombre de crêtes de pression qu'elles subissent en une seconde, c'est à dire en bref le nombre de fois que le mouvement se reproduit à l'identique en une seconde.
Par exemple, un balancier d'horloge décrit un mouvement complet de fréquence 1 herz lorsqu'il repasse par son point de repos et dans le même sens toutes les secondes.
Si vous observez le balancier, on dit qu'il décrit un mouvement complet chaque fois qu'il revient au point 1 ou chaque fois qu'il revient au point 2 ou chaque fois qu'il repasse au point de repos dans le même sens. On détermine la fréquence en calculant le nombre de fois que le balancier décrit un mouvement complet.
Ainsi un mouvement complet en une seconde correspond à une fréquence de 1Hz, deux mouvements complets à 2 Hz, mille mouvements en 1 seconde à 1000 Hz (ou 1 KHz), etc....
On appelle le spectre des fréquences audibles une plage définie des fréquences qui correspond pour nous tous à 20 Hz - 20 000 Hz,...... jusqu'à 40 ou 50 ans, car après notre acuité auditive baisse sensiblement et il n'est pas du tout anormal de ne plus entendre au delà de 12 000 Hz après 50 ans ou 60 ans.
Avant 20 Hz ce sont des infrasons, au delà de 20 000 Hz des ultrasons.
Pour bien comprendre, prenons une lame de scie solidement fixée à une extrémité.
Faisons la vibrer en déplaçant son extrémité libre et en la lâchant d'un coup.
La lame va se déplacer de part et d'autre de son point de repos et faire s'agiter l'air en faisant pression sur lui: la lame oscille et l'air vibre à la fréquence de l'oscillation.
- Plus la déformation de la scie est grande plus l'amplitude du mouvement est grande.
- Plus elle se déplace vite autour de son point de repos plus la fréquence est haute.
Vous avez déjà entendu parler d'intensité sonore et de hauteur tonale; eh bien vous venez de saisir les notions d'intensité et de hauteur d'un son.
Nous verrons plus loin la troisième caractéristique d'un son: le timbre.
Travaux pratiques:
repos lame au repos série de pressions et dépressions fréquence amplitude
L'élasticité de la lame de scie fait qu'elle vibre de façon alternative de part et d'autre de son point de repos et crée des mouvements vibratoires de l'air qui l'entoure.
Ce sont donc des différences de pression sur les molécules d'air et dont l'amplitude et la fréquence sont identiques (analogues) aux déplacement de la lame.
Les molécules d'air se poussant mutuellement jusqu'à arriver à nos oreilles, la lame de scie vient de créer une onde sonore.
Cette onde sonore se propage dans l'air à la vitesse de 330 mètres par seconde dans toutes les directions et vient heurter nos tympans et faire pression sur eux pour qu'ils vibrent exactement de la même façon.
D'où audition d'un son ..... .... de lame de scie qui vibre !!!
Plus les différences de pression sont rapides plus le son parait aigu.
Plus les différences de pression sont importantes, plus le son paraît fort !!!
Le son est donc dû à un mouvement alternatif des molécules d'air autour de leur point d'équilibre: c'est une onde, c'est à dire une oscillation sonore de l'air, un dérangement périodique de l'air qui se propage à 330 mètres par seconde.
C'est un peu comme le caillou jeté dans la mare. Il fait pression sur l'eau à son point de chute et des ondes circulaires vont se propager tout autour jusqu'aux bords de la marre:
les molécules d'eau se poussant mutuellement, l'onde se propage de la source de la perturbation vers l'extérieur dans toutes les directions.
Par contre un bouchon posé sur l'eau va osciller au rythme de l'onde, comme un bateau sur la houle (qui est une oscillation), il va bouger verticalement de bas en haut sans être entraîné.
C'est de la lourdeur du caillou ou de la force du jet dans l'eau, c'est à dire de la pression initiale du caillou sur l'eau, que dépend directement l'amplitude des oscillations.
On divise en alternance positive et alternance négative les mouvements vibratoires autour du point de repos ou point zéro. Il y a oscillation dans un sens et dans l'autre.
Le bouchon sur l'eau, par exemple, monte et descend selon l'amplitude de l'onde et à une vitesse qui dépend de la fréquence de cette onde.
La lame de scie passe du point de repos vers la déviation positive maximale, puis revient vers le point zéro et le dépasse pour atteindre la déviation négative maximale et revenir vers son point zéro, etc.. ... jusqu'à amortissement complet du mouvement.
La perturbation oscillante se propage dans l'air à 330 mètres par seconde et plus on s'en éloigne, moins est perceptible le son.
Par exemple, une fréquence de 100 Hz est entendue lorsqu'une onde sonore passe par un maximum de pression (ou un minimum: les crêtes ou les creux) cent fois en une seconde.
- Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu.
- Plus la fréquence est basse, plus le son est ..... grave.
L'amplitude du son est la mesure du déplacement maximum des molécules d'air par rapport au point zéro de repos, c'est à dire la mesure de la déviation maximale (on parlera plus tard de niveau ou d'intensité sonore).
C'est la puissance de l'onde, son énergie, mesurée en décibels (dB).
Plus l'amplitude est grande, plus le son est fort.
Plus l'amplitude est faible ... etc....
Et alors le décibel ? ... Hé bien nous y voilà !
Les différences d'amplitude de pression acoustique entre le silence et les sons les plus forts sont telles (plus de 1/1 000 000 000) qu'on a dû établir une échelle logarithmique de mesure, la très célèbre et bien mystérieuse échelle des décibels.
Cette unité de mesure s'est avérée indispensable pour ne pas se retrouver avec des nombres astronomiques à manipuler, avec des dizaines de chiffres avant ou après la virgule.
De plus, elle correspond à la perception humaine du son, qui est elle-même logarithmique.
Donc voici pour information (et on peut bien sûr l'oublier après): le niveau sonore en décibels est de 10 log P/Po, où Po est la pression acoustique de référence (le silence !) et P la pression acoustique d'un son.
Ainsi si P = 1 000 000 fois Po, on a un niveau sonore de 60 dB: une voix humaine à niveau moyen.
Si P = 10 000 000 000 fois Po, le niveau sonore est de 100 dB: le passage d'un train ou un concert de klaxons.
La dynamique d'une bande sonore est l'écart entre le son le plus fort et le son le plus faible: c'est à dire le bruit de fond de la bande magnétique et l'apparition de la saturation.
On le voit les pressions acoustiques varient dans des proportions énormes, mais ce qu'il faut retenir, c'est que si on double la pression acoustique d'un son on obtient que ... 3 dB de niveau sonore en plus. Ce qui revient à dire qu'un son ajouté à lui-même a pour résultat une pression acoustique deux fois plus forte, mais ne représente "seulement", dans notre échelle de mesure, que trois décibels de plus, ce qui n'est finalement pas grand chose.
Par exemple si on dit qu'un marteau piqueur a un niveau sonore de 110 dB, deux marteaux piqueurs ne feront pas 220 dB mais ... 113 dB.
On comprend que pour atteindre le seuil de douleur de l'oreille (autour de 130 dB) il faille une accumulation intensive de sons forts. En outre, notre oreille dispose de facultés d'amortissement puissantes pour nous éviter l'assourdissement, comme le fait l'oeil avec sa pupille pour diminuer l'éblouissement.
D'ailleurs, comme l'oeil après l'éblouissement, elle a besoin d'un "certain temps" pour retrouver sa sensibilité normale, ce qui fait qu'un son fort masque (dissimule) un son faible qui le suit immédiatement.
Par exemple si quelqu'un vous dit "ne touche pas" en criant fort et en ajoutant votre prénom à voix normale, vous entendrez "Marc-Antoine, NE TOUCHE PAS", mais dans l'autre sens vous risquez de comprendre "NE TOUCHE PAS ..... toine"
A l'opposé, l'oreille arrive à percevoir des sons extrèmement faibles, pour les fréquences où elle est la plus sensible, c'est à dire entre 800 Hz et 3000 Hz, de l'ordre, allez, disons, d'à peu près 0,001 dB. Quand on s'éloigne de ces fréquences, dans un sens ou dans l'autre, l'oreille a besoin d'un niveau plus élevé du son pour l'entendre.
En effet nous n'avons pas la même sensibilité à toutes les fréquences, nous entendons moins bien les fréquences basses et aiguës que les fréquences médiums.
Petite chose encore.
Le mouvement sinusoïdal est la plus simple des oscillations: le caillou dans la mare fait onduler sinusoïdalement l'eau, comme la houle; une balançoire décrit un mouvement sinusoïdal, comme le balancier d'une horloge.
Donc pour analyser un message sonore, en général très complexe, on va essayer de le décortiquer, c'est à dire le décomposer, en mouvements sinusoïdaux élémentaires.
En effet s'il s'agit d'un son "parfaitement pur" dû à une variation sinusoïdale des pressions acoustiques, on va pouvoir mesurer sa fréquence et son amplitude sans problème. Par exemple les fréquences dites "de référence" utilisées en auditorium pour régler les machines et étalonner les niveaux sont des fréquences pures sinusoïdales (comme le 1 KHz par exemple).
Mais en général un son (un signal sonore) est bien plus complexe encore qu'on l'imagine.
Une onde sonore complexe de fréquence F peut être décomposée en ondes sinusoïdales (des sons "simples") de fréquence F, 2 fois F, 3 fois F, 4 fois F, etc..... d'amplitudes respectives différentes selon la source sonore.
Un son complexe est donc fait d'une fréquence fondamentale F qui prédomine et d'harmoniques 2F, 3F, 4F, etc... qui sont le double, le triple, le quadruple etc... de la fréquence "fondamentale" du son mais à des niveaux différents de cette fréquence.
Par exemple un son complexe de fréquence apparente 1000 Hz (de fondamentale donc, 1000 Hz) aura comme première harmonique 2000 Hz, comme troisième 3000 Hz, comme quatrième 4000 Hz, etc...
Les niveaux respectifs de ces harmoniques par rapport à la fondamentale est ce qui caractérise le "timbre" du son. C'est ce qui nous permet de distinguer le LA (440 Hz) d'une flûte de celui (toujours 440 Hz) d'une clarinette. En effet les harmoniques des deux LA ont des niveaux différents selon l'instrument.
Encore un mot sur la phase.
On dit de deux sons identiques, mélangés ensemble, qu'ils sont en phase lorsque les mouvements vibratoires qu'ils décrivent démarrent et finissent en même temps, passent par un maximum ou repassent par zéro dans le même sens au même moment.
Ils sont en opposition de phase lorsque leurs mouvements sont exactement inverses.
Par exemple deux pendules sont en phase lorsqu'ils oscillent dans le même sens, ils sont en opposition de phase lorsque leurs mouvements sont opposés au même moment.
Deux sons en phase s'additionnent.
Deux sons hors-phase s'annullent.
On verra plus loin comment la stéréo utilise la phase relative des sons entre eux pour déterminer leur localisation dans l'espace.
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