Les instruments de musique

Les instruments de musique émettent des sons au moyen de phénomènes vibratoires. Les cordes vibrent, ainsi que les colonnes d’air des instruments à vent.

I Timbre et hauteur d’un son

Lorsque deux instruments différents émettent une même note, le son obtenu est différent bien que de même fréquence. Seuls les harmoniques diffèrent par leur nombre et leur amplitude. La forme du signal n’est pas la même. On dit que les deux sons n’ont pas le même timbre.

Doc Signaux et spectres d’un la3 joué par une flûte et un violon

La hauteur du son permet de distinguer un son grave d’un son aigu. Lorsque la fréquence fondamentale est élevée, on dit que le son est aigu : sa hauteur est grande. La fréquence fondamentale correspond aussi à la note jouée. Par exemple, une fréquence de 440 Hz correspond au la3.

Hauteur et timbre sont des propriétés physiologiques du son.

II Deux types d’instruments

1  Les instruments à cordes

Les instruments à cordes sont constitués :

– d’un excitateur (les cordes), qui détermine la hauteur du son ;

– d’un résonateur (la caisse et l’air qu’elle contient), qui amplifie le son et joue un rôle important dans le timbre du son.

Lorsqu’on fait vibrer la corde, en la grattant, en la frappant ou en la pinçant, celle-ci émet un son périodique et complexe. La fréquence du son dépend des caractéristiques de la corde : tension, longueur et masse linéique (masse de la corde par unité de longueur).

Repère
À noter

La fréquence fondamentale est donnée par la relation $f=\frac{1}{2\times L}\times \sqrt{\frac{T}{\mu }}$ où L est la longueur de la corde (en m), T sa tension (en N) et μ sa masse linéique (en kg ∙ m^–1).

Si on augmente la tension de la corde, le son devient plus aigu, la fréquence fondamentale augmente.

Si on diminue la longueur de la corde, le son devient aussi plus aigu. Pour modifier la hauteur du son, le musicien positionne ses doigts sur le manche de la guitare à des endroits précis, derrière les frettes, qui correspondent aux nœuds de vibrations.

Sur le schéma ci-contre, la nouvelle longueur de la corde se situe entre la septième frette et le chevalet, donc $L=\frac{2}{3} L_0.$ La fréquence du nouveau son est plus élevée.

2  Les instruments à vent

L’air insufflé dans un instrument à vent peut rencontrer un biseau (flûte) ou mettre en vibration des lamelles ou anches (clarinette, saxophone…) : ce sont les excitateurs.

Le résonateur (la colonne d’air présente dans le tuyau) répercute alors les vibrations des excitateurs sur la colonne d’air, ce qui donne le timbre du son.