Timbre

Le timbre est ce qui permet de distinguer deux sons de même hauteur, de même intensité et de même durée : un violon et un saxophone jouant le même La restent reconnaissables. Il dépend du spectre du son et de son évolution dans le temps.

Observer expérimentalement le timbre

FizziQ donne accès à la fois au spectre de fréquences et à l’oscillogramme, les deux faces du timbre : la répartition des harmoniques et l’évolution de l’amplitude au cours du temps.

Étapes :

• Faire jouer la même note, par exemple un La à 440 Hz, par deux instruments différents et enregistrer chaque son avec FizziQ.
• Afficher le spectre de fréquences de chaque enregistrement : le pic du fondamental est au même endroit, mais les amplitudes des harmoniques diffèrent.
• Relever pour chaque instrument l’amplitude relative des cinq premiers harmoniques et comparer les deux profils.
• Afficher l’oscillogramme complet de chaque note et repérer les trois phases de l’enveloppe : attaque, entretien, extinction.
• Comparer les durées d’attaque : quelques millisecondes pour un piano ou une guitare pincée, plusieurs dizaines de millisecondes pour un instrument à archet ou à vent.
• Réécouter un extrait pris au milieu de la note, sans l’attaque, et tenter d’identifier l’instrument à l’oreille.

Activités scientifiques sur ce thème

Deux activités permettent d’explorer ce qui fait la signature sonore d’un instrument.

• Timbre et harmoniques d’instrument : pourquoi différents instruments jouant la même note produisent-ils des sons différents ?
• Sons harmoniques et inharmoniques : analyser le son d’une cloche, riche mais sans hauteur franche

En savoir plus

Le timbre d’un instrument de musique, souvent appelé sa “qualité sonore” ou “couleur tonale”, est ce qui permet de distinguer un instrument d’un autre lorsqu’ils produisent la même note. Le timbre est l’élément qui rend chaque instrument unique et identifiable par l’oreille.

Une même note jouée par deux instruments différents a des timbres différents parce que le nombre d’harmoniques et leurs intensités relatives diffèrent. Les deux sons, bien qu’ayant la même fréquence fondamentale, ne se ressemblent pas à l’oreille. On constate cette différence en comparant les spectres de fréquences dans FizziQ.

Le timbre ne se réduit pas au spectre. C’est l’erreur la plus fréquente sur cette notion. L’enveloppe temporelle du son, c’est-à-dire la façon dont son amplitude évolue au cours de la note, joue un rôle au moins aussi important. On y distingue trois phases : l’attaque, très brève, pendant laquelle le son s’établit ; l’entretien, où l’amplitude se maintient ou décroît lentement ; l’extinction, quand le son s’éteint. L’expérience classique est éloquente : si l’on enregistre une note de piano et qu’on supprime ses premières dizaines de millisecondes, le son restant devient très difficile à identifier et beaucoup d’auditeurs le prennent pour un orgue ou un instrument à vent. Le spectre n’a pourtant pas changé. À l’inverse, jouer un enregistrement de piano à l’envers rend l’instrument méconnaissable, alors que le contenu spectral est identique.

Le spectre lui-même n’est d’ailleurs pas figé pendant la note : les harmoniques aigus apparaissent souvent en premier et s’amortissent plus vite que le fondamental. C’est cette évolution conjointe du spectre et de l’amplitude que le spectrogramme de FizziQ permet de visualiser.

Le timbre d’un instrument provient de plusieurs caractéristiques acoustiques et physiques qui influencent la manière dont les ondes sonores sont produites et propagées par l’instrument. Voici quelques-uns des principaux facteurs qui contribuent au timbre d’un instrument :

• Forme et matériau de la source sonore : La manière dont l’instrument génère les vibrations sonores joue un rôle crucial dans son timbre. Par exemple, les cordes d’une guitare en acier vibreront différemment de celles d’un violon, et cela affectera le timbre de chaque instrument.
• Forme et taille de la caisse de résonance : La forme et la taille de la caisse de résonance de l’instrument, comme la caisse de résonance d’un violon ou le pavillon d’une trompette, influencent la façon dont les ondes sonores sont amplifiées et modifiées, ce qui contribue au timbre caractéristique de l’instrument.
• Caractéristiques de l’émission sonore : Les modes d’attaque, de sustain (maintien de la note) et de décroissance de la note sont des aspects importants du timbre d’un instrument. Par exemple, la manière dont un musicien joue d’une flûte traversière peut créer un timbre différent de celui d’un joueur de clarinette.
• Composants spécifiques de l’instrument : Certains instruments possèdent des composants uniques qui influencent leur timbre. Par exemple, les harmoniques dans le son d’une guitare sont le résultat de la vibration des cordes et de leur interaction avec la caisse de résonance et les frettes.
• Technique du musicien : La manière dont un musicien joue un instrument, y compris son style, son phrasé, son expression et son articulation, peut également influencer le timbre de l’instrument.
• Caractéristiques des matériaux de l’instrument : Les matériaux utilisés pour construire l’instrument, tels que le bois, le métal, le plastique ou la peau, ont un impact sur le timbre en influençant la manière dont les vibrations se propagent à travers l’instrument.

Le timbre d’un instrument est influencé par de nombreux facteurs, tels que la forme et la taille de l’instrument, les matériaux utilisés pour le fabriquer, la façon dont il est joué (par exemple, avec ou sans vibrato) et les effets sonores utilisés (par exemple, le reverb ou la distorsion). Le timbre d’un instrument peut également changer selon la hauteur de la note jouée, et certains instruments ont des timbres qui sont plus caractéristiques que d’autres (par exemple, le son grave et rond du tuba est facilement reconnaissable).

Formule

Le timbre n’est pas une grandeur mesurable par un nombre unique : il se décrit par un ensemble de descripteurs. Le son est d’abord décomposé en harmoniques :

s(t) = Σ Aₙ(t) sin(2π n f₀ t + φₙ)

où :

• Aₙ(t) : amplitude de l’harmonique de rang n, variable au cours de la note (Pa)
• n : rang de l’harmonique
• f₀ : fréquence fondamentale, qui fixe la hauteur (Hz)
• φₙ : phase de l’harmonique de rang n (rad)

Un descripteur usuel du timbre est le centre de gravité spectral, qui traduit le caractère plus ou moins brillant du son :

f_c = Σ (fₙ × Aₙ) / Σ Aₙ

où :

• f_c : centre de gravité spectral (Hz)
• fₙ : fréquence de l’harmonique de rang n (Hz)
• Aₙ : amplitude de cet harmonique (Pa)

Exemples d’application

• Un violon et une flûte jouant le même La à 440 Hz donnent des spectres très différents : le violon est riche jusqu’au rang 10 ou plus, la flûte s’éteint dès les premiers rangs.

• L’attaque d’une note de piano dure environ 10 ms, celle d’un violon joué à l’archet plusieurs dizaines de millisecondes : c’est un indice décisif pour l’identification à l’oreille.

• Une note de piano privée de son attaque devient très difficile à reconnaître, alors que son spectre est inchangé.

• La clarinette, riche en harmoniques impairs, a un timbre creux nettement distinct de celui du hautbois qui possède tous les rangs.

• La reconnaissance automatique d’un instrument ou d’un locuteur repose sur des descripteurs de timbre calculés à partir du spectre et de son évolution temporelle.

• Le timbre d’une même voix change quand on articule différentes voyelles : les résonances de la bouche renforcent des zones du spectre appelées formants, sans changer la hauteur.

FAQ

Q : Le timbre, c’est bien le spectre ? R : Non, pas seulement. Deux sons de spectres identiques peuvent être perçus comme provenant d’instruments différents si leurs enveloppes temporelles diffèrent. L’attaque est particulièrement déterminante pour l’identification.

Q : Le timbre dépend-il de la note jouée ? R : Oui. Un même instrument n’a pas exactement le même timbre dans le grave et dans l’aigu, parce que le nombre d’harmoniques audibles et la réponse de la caisse de résonance changent avec la hauteur.

Q : Comment un synthétiseur imite-t-il un instrument ? R : En reproduisant à la fois le spectre et l’enveloppe. Les synthétiseurs modélisent explicitement les phases d’attaque, de maintien et d’extinction, car un spectre correct avec une mauvaise enveloppe ne sonne pas juste.

Q : Le timbre est-il une grandeur physique mesurable ? R : C’est une grandeur perceptive, décrite par plusieurs descripteurs mesurables : amplitudes relatives des harmoniques, centre de gravité spectral, durée d’attaque. Aucun nombre unique ne le résume.

Q : Pourquoi reconnaît-on une voix au téléphone malgré la mauvaise qualité ? R : Le téléphone ne transmet qu’une bande étroite, environ 300 à 3400 Hz, mais elle contient les formants et les caractéristiques d’attaque qui portent l’essentiel de l’information de timbre.

Concepts liés

Son pur - Son complexe - Son harmonique - Fréquence fondamentale - Spectre sonore - Spectrogramme - Enveloppe sonore - Formant - Hauteur d’un son