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Instruments et acoustique musicale
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Introduction :
Ce cours traite des instruments de musique et des lois physiques qui régissent la façon dont ils produisent des sons.
Dans un premier temps nous étudierons les différentes catégories d’instruments et leurs structures. Dans un second temps, nous verrons quelles ondes ils produisent et les sons qui leur sont associés.
Les instruments
Les instruments de musique sont sensiblement similaires à notre organe vocal.
Chacun est composé d’un organe vibratoire et d’une caisse de résonance.
Comme pour la voix, un instrument a besoin d’une impulsion pour produire de la musique :
L’objectif est toujours le même : provoquer un différentiel de pression qui va s’exprimer sous forme d’onde sonore.
Instruments à vent
Pour les flûtes et les sifflets, l’organe vibratoire est le biseau, pour d’autres instruments (clarinette, hautbois, cuivres) c’est une anche qui joue ce rôle.
Le résonateur est le tube de l’instrument. En fonction de la position des doigts et de la pression imposée par le musicien, le résonateur sera plus ou moins long.
Principe de la trompette à clef
Instruments à corde
Les instruments à corde sont ceux qui se rapprochent le plus de l’organe vocal. Le musicien fait vibrer des cordes soumises chacune à une tension différente (plus on tend la corde, plus la fréquence associée est aiguë).
Une corde est soumise à quatre modes vibratoires différents et simultanés :
Les quatre modes vibratoires des cordes
Percussions
Les instruments à percussion sont mécaniquement très simples : une membrane ou une plaque vibre lorsqu’elle est frappée. Ceux qui produisent un son à l’aide d’une membrane disposent également d’une caisse de résonance (une caisse ou un tuyau).
La hauteur du son va dépendre du point d’excitation (là où on frappe) et du point de fixation.
La plaque peut vibrer de quatre façons :
Instruments électroniques
Les instruments électroniques utilisent des signaux électriques pour reproduire des sons naturels via un haut-parleur. Leur existence même démontre que la musique est à la fois une discipline intuitive et créatrice, mais aussi scientifique.
L’acoustique musicale
La fréquence fondamentale
Le terme « son » désigne une onde mécanique aux nombreuses caractéristiques. Mais pour définir une note de musique, les règles sont plus contraignantes : il s’agit bien d’une onde sonore, mais elle se caractérise par sa périodicité.
Note :
Une note est caractérisée par une période et une fréquence.
Par exemple un grincement de porte sera considéré comme un son, mais rarement comme une note de musique.
Dans le langage, les voyelles sont des sons périodiques. Cela explique pourquoi les langues qui en font le plus usage sont qualifiées de « chantantes ».
Fréquence fondamentale :
En musique, la fréquence fondamentale est aussi appelée l’harmonique de rang 1. Elle correspond à la plus grande longueur d’onde possible émise par une corde ou tube (et donc à la fréquence la plus basse).
Par convention, la fréquence fondamentale de référence est le La3, et correspond à .
C’est la note que l’on entend lorsqu’on décroche un combiné téléphonique.
Fréquence fondamentale d’une corde et deux harmoniques
Les harmoniques
Sons purs et sons complexes :
Les sons qui ne comportent qu’une seule fréquence sont appelés sons purs.
Les autres sont appelés sons complexes.
La fréquence fondamentale étant l’harmonique de rang 1, on l’appelle .
L’harmonique de rang 2, appelée suit la règle :
On peut ainsi dégager la relation entre harmoniques :
Dans le cadre d’un son complexe, la hauteur de note est donnée par la fondamentale.
Les gammes
Gamme musicale :
La gamme musicale est une succession de notes de musique par mouvements conjoints (c’est-à-dire de notes voisines), ascendants (du grave vers l’aigu), ou descendants (de l’aigu vers le grave) dans laquelle la note placée au début et à la fin est identique.
On peut ainsi ranger les notes de musique par intervalle.
Entre et les notes sont séparées par des intervalles qui dépendent de la gamme étudiée.
Sur un piano, on retrouvera dans l’ordre les notes suivantes : Do1 - Do# - Ré - Ré# - Mi – Fa - Fa# - Sol - Sol# - La - La# - Si – Do2
Ainsi, la deuxième note de la gamme aura la fréquence :
Et ainsi de suite, jusqu’à
Les notes de piano et la gamme chromatique
Les accords sont aussi appelés intervalles consonants.
Lorsque les deux notes ont un rapport de deux, on parle d’octave (lorsqu’on passe de La1 à La2 par exemple).
L’étude scientifique des notes de musique permet, dans une certaine mesure, de comprendre pourquoi certains accords nous semblent agréables à l’oreille ou au contraire sont perçus comme dissonants.
Pour autant, en fonction des lieux et des époques les règles qui régissent cet art varient.