Les Étincelles du Palais de la découverte
La médiation scientifique
Un son se propage dans l’air en le comprimant et le dilatant jusqu’à nos oreilles comme une onde le long d’un ressort. Cette onde peut être représentée sous la forme d’un graphe : plus l’air est comprimé, plus la courbe monte ; plus il se détend, plus la courbe descend. Lorsqu’il s’agit d’une note de musique, cette onde est périodique : une même série de compressions/détentes est transmise un grand nombre de fois. La fréquence d’une note correspond au nombre de fois où cette série se répète par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus la courbe oscille vite, et plus la note est aiguë.
Schématiquement, une note de musique est toujours constituée d’une fréquence fondamentale, qui donne la hauteur de la note, plus ou moins grave ou aiguë, et de ses harmoniques, qui donnent le timbre, ce qui distingue entre autres une même note jouée sur une trompette ou sur un violon. La fondamentale et les harmoniques sont des sinus, des courbes particulièrement simples. La fréquence de chaque harmonique est un multiple de celle de la fondamentale. L’analyse de Fourier permet de démêler toutes ces fréquences, et donc d’obtenir une signature sonore de chaque instrument (fig. 1).
La représentation spectrale permet de repérer rapidement la composition d’un timbre : sont représentées les amplitudes de chaque fréquence composant la note entendue (fig. 2).
Le spectrogramme reprend ces informations et les affiche verticalement, avec leurs variations dans le temps (fig. 3).
En plus des harmoniques, simples, que l’on retrouverait sur un instrument de synthèse (qui produit des sons synthétisés par ordinateur), apparaissent un grand nombre de « parasites » : bruits de l’instrument (souffle, vibrations…), vibrato, attaque de la note, son de moins en moins fort au cours du temps... Ce spectrogramme en ligne permet d’observer le spectre de sons captés par un micro au cours du temps. Vous pouvez vous amuser par exemple à jouer la même note avec divers instruments, ou encore chanter une même note sur des voyelles différentes (A, E, I, O, U…), comme sur la figure 4. La fondamentale (trait lumineux le plus bas) ne bouge pas, mais les harmoniques (traits espacés plus ou moins régulièrement au-dessus) sont plus ou moins présentes.
À l’inverse, si vous ne changez que la hauteur de la note, la fondamentale et les harmoniques se décaleront toutes ensemble vers le haut ou le bas (figure 5 : une montée en « A »).
Télécharger l'application « Fourier et le son » (à lancer sur Google Chrome).
Explorez les timbres de différents instruments de musique (en version synthétique, tout de même !).
Plusieurs timbres vous sont proposés (zone encadrée en vert sur la figure 6 ci-dessous), que vous pouvez essayer de reproduire en jouant sur la présence ou non des harmoniques (zone en bleu), sur leur amplitude, et également sur la phase (le fait de pouvoir les décaler les uns par rapport aux autres dans le temps). Vous pouvez inventer également toutes sortes de sons, bidouiller pour le plaisir, pour mieux vous approprier toutes les notions vues dans cette section.
Les défis
Télécharger l'application « Fourier et les sons de Mars » (à lancer sur Google Chrome).
Venez découvrir quel serait le son d'un oiseau ou la voix d'un enfant sur Mars.
En février 2021, nous avons pu écouter pour la première fois un son martien, grâce au rover Perseverance. L’atmosphère de Mars est moins dense que celle de la Terre, le son y est donc atténué (il faudrait se rapprocher nettement plus de la source pour pouvoir entendre le son « comme » sur Terre). De plus, elle est composée principalement de CO2 (dioxyde de carbone), qui absorbe les hautes fréquences, c’est-à-dire les sons aigus. Si un oiseau chantait sur Mars, nous n’entendrions presque rien ! Enfin, la température martienne en surface est beaucoup plus froide (température moyenne d'approximativement –63 °C au lieu de 15 °C environ sur Terre), ce qui fait que l’onde sonore se propage largement moins vite que sur Terre (240 mètres par seconde au lieu de 340).
L’application vous permet d'écouter le son d'un oiseau ou la voix d'un enfant sur Terre, ce qu'il serait sur Mars et d'en visualiser les spectrogrammes respectifs. À l'oreille et sur le spectrogramme, le filtrage des hautes fréquences est bien perceptible. D’un point de vue scientifique, ces sons enregistrés et leur analyse permettent d’étudier les propriétés météorologiques de Mars à partir du vent, ou encore la dureté de la roche. En effet, l’instrument SuperCam embarqué sur le rover est muni d’un laser infrarouge permettant de cibler et vaporiser une partie des roches rencontrées. Par une analyse spectrale du rayonnement émis par le plasma (encore de l’analyse de Fourier !), il est possible d’en déterminer leur composition chimique. Et lorsque le laser cible la roche, les variations de sons enregistrées donnent également des indications sur la dureté de la roche.
Les applications « Fourier et le son » et « Fourier et les sons de Mars » ont été développées par MathWorks. Gonzalo Romero Garcia, doctorant à l'IRCAM (Institut de recherche et coordination acoustique/musique), qui se consacre à la recherche scientifique et au développement technologique appliquée à la musique, a apporté son aide au développement de l'application « Fourier et le son ».
