Instruments de musique

Cet article est extrait de The Audio Expert par Ethan Winer. Vous pouvez en savoir plus sur ce livre sur le site web d'Ethan : http://ethanwiner.com/book.htm

Pour les instruments à cordes frottées, tels que les violons et les violoncelles, la qualité du son, ou timbre, est influencée par l'emplacement de l'archet sur la corde, la force avec laquelle il est pressé contre la corde et la rapidité avec laquelle il est tiré à travers celle-ci. Ces trois paramètres varient le timbre à travers toute son étendue de possibilités. Ici, le timbre décrit les volumes relatifs de la hauteur fondamentale et de ses nombreux multiples harmoniques.

Pour les instruments à vent, la forme de vos lèvres et de votre bouche, ainsi que la force de votre souffle, déterminent le timbre. Souffler plus fort crée des harmoniques qui sont plus fortes que lorsque l'on souffle avec moins de force. Il en va de même pour les instruments pincés tels que la guitare ou le banjo : frapper la corde plus fort ou plus près d'une extrémité génère un contenu harmonique plus riche. Ce même principe s'applique aux instruments acoustiques. Plus vous soufflez fort dans une trompette ou un hautbois, ou frappez un tambour, plus le son sera brillant. Les harmoniques des tambours varient également en niveau en fonction de l'endroit où vous les frappez et de la force utilisée. Frapper un tambour près du bord rend les harmoniques plus fortes par rapport à la fondamentale, par rapport à un coup près du centre. Cela s'applique à pratiquement toutes les autres sources sonores acoustiques qui se produisent dans la nature.

De nombreuses personnes ne réalisent pas que l'apprentissage du contrôle de l'archet est la partie la plus difficile de la pratique du violon ou du violoncelle. L'archet est la voix de l'instrument, et tout le reste est subordonné. Il est certain qu'il faut des années pour développer le contrôle moteur nécessaire pour placer vos doigts exactement au bon endroit sur le manche - être décalé de quelques millimètres peut vraiment faire fausser une note. Mais contrôler l'archet est encore plus difficile. C'est similaire pour les instruments à souffle, tels que le saxophone et le hautbois. Après un an ou deux, un élève assidu peut apprendre à mapper les notes sur la page imprimée aux doigts équivalents sans réfléchir. Mais développer le contrôle nécessaire de la respiration et de la bouche est beaucoup plus difficile, nécessitant des milliers d'heures de pratique sur de nombreuses années pour vraiment maîtriser.

Types d'instruments

Il existe deux types de base d'instruments de musique : les instruments percussifs, où le son est déclenché une fois puis s'éteint de lui-même, comme avec un piano ou un cymbale, et les instruments soutenus où le musicien a un contrôle continu sur la durée, le volume, le timbre et le vibrato comme avec un violon ou un trombone. Par exemple, un violoniste peut commencer une note doucement en utilisant une lente vitesse de l'archet, puis augmenter le volume en tirant l'archet plus rapidement, puis augmenter la brillance de la note en rapprochant l'archet du chevalet, pour enfin ajouter un vibrato qui devient progressivement plus rapide. Ces variations au fil du temps rendent la musique plus expressive, et donc plus intéressante à entendre.

Les instruments percussifs peuvent également être joués de manière expressive et soutenue, comme un roulement sur un tambour militaire ou des timbales, où le tambour est frappé de manière répétée. Un roulement de tambour peut également changer la qualité sonore au fil du temps, en variant la force avec laquelle vous frappez le tambour et où, ainsi que la vitesse de répétition du roulement. De même, les joueurs de mandoline créent un tremolo soutenu en jouant rapidement la même note à plusieurs reprises, pour continuer la note indéfiniment. Mais selon moi, les instruments peuvent être classés en ces deux catégories de base - percussifs et soutenus.

En plus de contrôler le son avec la technique de jeu, un autre facteur qui influence le timbre d'un instrument tel qu'il est entendu par un public ou un microphone est sa directivité. Comme avec les haut-parleurs, les plaques en bois vibrant d'un violon rayonnent de manière plus directionnelle à des fréquences élevées. En dessous d'environ 400 Hz, les violons rayonnent presque de manière omnidirectionnelle, mais à 4 ou 5 kHz, presque tout le son est émis vers le haut dans un faisceau étroit, avec très peu d'énergie envoyée vers l'avant. Les instruments à anche, comme le clairon et le saxophone, rayonnent également dans différentes directions à différentes fréquences, ainsi que depuis différentes parties de l'instrument en fonction des touches pressées. Dans une salle de concert, le spectre complet du son atteint le public en grande partie par des réflexions provenant du mur de la scène derrière les artistes, ainsi que du plafond évasé et des murs latéraux inclinés.

Les chapitres précédents expliquent qu'un analyseur FFT peut afficher la quantité d'énergie à différentes fréquences dans un enregistrement, et cet outil peut également analyser la sortie des instruments de musique. Comprendre le spectre des instruments aide à devenir un meilleur programmateur de synthétiseur, un ingénieur du son, un arrangeur d'orchestre ou tout simplement un auditeur plus averti et appréciatif. Par exemple, une basse électrique a souvent moins d'énergie à la fréquence fondamentale que les premiers harmoniques, en fonction de l'endroit où la corde est pincée le long de sa longueur. Une grande partie de la plénitude des instruments de basse est déterminée par le niveau du deuxième harmonique, donc le mettre en valeur avec un égaliseur peut rendre un mixage solide sans compter sur des fréquences très basses qui sont difficiles à reproduire à des volumes élevés pour de nombreux haut-parleurs.

La figure 1 montre le spectre de ma basse électrique Fender Precision jouant une note A basse, lorsqu'elle est pincée avec un doigt directement au-dessus du micro. Vous pouvez voir que les composants harmoniques second et troisième sont plus forts que la fondamentale. Cependant, pincer la corde plus loin du chevalet, plus près du centre de la corde, crée un ton plus doux avec une fondamentale plus marquée et des harmoniques plus douces. Pincer une corde avec moins de force réduit également le contenu harmonique.

Figure 1 : En fonction de l'endroit où vous pincez une corde et de la force exercée, la fréquence fondamentale peut être plus douce que certaines des harmoniques. Cette FFT montre le spectre d'une note A basse sur une Fender Precision Bass pincée avec un doigt, sans EQ appliqué. Vous pouvez voir que le second harmonique à 110 Hz est environ 7 dB plus fort que la fondamentale à 55 Hz, et le troisième harmonique à 165 Hz est environ 3 dB plus fort que le deuxième harmonique.

La figure 2 montre une FFT de la même note A basse enregistrée depuis un piano à queue Yamaha. Encore une fois, la fondamentale est plus douce que le deuxième harmonique, qui est lui-même plus doux que le troisième harmonique. Cependant, un piano sonne plus brillant qu'une basse électrique jouée avec les doigts (par opposition à un médiator), et cela se reflète dans les harmoniques supérieures qui diminuent moins rapidement qu'une basse électrique.

Figure 2 : Les notes basses d'un piano ont souvent moins d'énergie à la note fondamentale que les premiers harmoniques, bien que les harmoniques supérieurs diminuent moins rapidement qu'une basse électrique.

La série harmonique est désaccordée

Les cordes vibrantes sur un violon ou une guitare, et l'air vibrant dans les instruments à vent et à cuivre, créent des harmoniques, également appelées overtones, qui suivent une série mathématique spécifique. La fréquence la plus basse est la fondamentale, et chaque harmonique est un multiple entier de cette fréquence. Les harmoniques des ondes statiques telles que les en dents de scie et les impulsions suivent également la même série. Le tableau 1 montre la série harmonique d'une note A basse dont la hauteur fondamentale est de 55 Hz, et chaque harmonique est 55 Hz plus élevée que la précédente.

Tableau 1 : La série harmonique de la plupart des instruments de musique suit cette même séquence de base, devenant désaccordée à certaines fréquences plus élevées. Ce tableau montre les 15 premières fréquences produites par une note A basse, et vous pouvez voir que la hauteur du cinquième harmonique est décalée de près d'un pourcentage. À la 11ème harmonique, qui peut être audible sur un instrument au son brillant jouant une note basse, la fréquence est décalée de trois pour cent. La distance musicale entre deux notes adjacentes est d'environ six pour cent, donc trois pour cent est sérieusement désaccordé !

Les harmoniques deviennent généralement plus douces à mesure qu'elles montent, de sorte qu'une seule note ne sonne pas nécessairement désaccordée par rapport à elle-même. Même si le 11ème harmonique est décalé de trois pour cent, ce qui représente beaucoup pour un demi-intervalle musical, sur ce piano et avec ce placement de microphone, il est 11 dB plus doux que la fondamentale. Il est également partiellement masqué par tous les autres harmoniques qui sont en accord.

Les notes fondamentales disponibles sur les instruments à cuivre suivent également la série harmonique indiquée dans le Tableau 1. Prenons le clairon, qui est similaire à une trompette, mais sans valves pour varier la longueur du tube. Les clairons ne peuvent jouer que des notes de la série harmonique, que le joueur sélectionne en ajustant la forme de sa bouche et de ses lèvres, collectivement appelées l'embouchure. Il existe de nombreux « standards » bien connus dans la littérature de clairon, tels que Taps et Reveille. Tous les morceaux de clairon contiennent uniquement la même gamme limitée de notes - essentiellement les tons d'accord d'une tonalité majeure. Lorsqu'un clairon joue des notes plus élevées, les hauteurs fondamentales sont intrinsèquement désaccordées, obligeant le joueur à ajuster son embouchure et à souffler plus ou moins fort pour produire la bonne note. Lorsqu'un joueur ajuste la hauteur d'une note de cette manière, on dit qu'il « lèche » la note.

En aparté, une seule note jouée sur une guitare peut sembler désaccordée si les cordes sont anciennes. Les cordes s'étirent souvent de manière non uniforme, créant une ou plusieurs portions plus fines. En fonction de l'endroit où les points fins se produisent le long de la longueur de la corde, certaines des harmoniques basses proéminentes peuvent sembler désaccordées par rapport à la fondamentale. Il est très difficile d'accorder une guitare avec de vieilles cordes !

Au sens où nous l'utilisons ici, le terme « harmonique » se réfère à la série des harmoniques naturelles d'une corde vibrante, ou de la colonne d'air vibrante dans un instrument à vent. Un autre type d'harmonique est créé artificiellement avec les instruments à cordes en plaçant légèrement un doigt sur la corde à des emplacements spécifiques tout en pinçant ou en frottant. Toucher légèrement une corde à un point à mi-chemin de sa longueur crée une note une octave plus haute que la corde à vide. Presser fermement la corde contre le manche crée une note ayant les harmoniques habituelles, mais ce type d'harmonique est plus proche d'une onde sinusoïdale pure. D'autres emplacements le long du manche produisent le même effet - des emplacements communs sont 1/3 et 1/4 de la longueur, mais d'autres divisions entières fonctionnent aussi. En fait, le faire à 1/7 de la longueur du manche crée la même septième musicale désaccordée (plus deux octaves) que l'harmonique qui se produit naturellement dans une seule note.

Tempérament égal

Le tempérament égal est une méthode d'accord qui utilise un intervalle fixe entre les notes adjacentes, plutôt que de suivre la série harmonique naturellement présente. Le tempérament égal divise une octave en douze intervalles également espacés, appelés demi-tons musicaux. Le rapport exact entre une note et la note la plus proche suivante est de 1.0595 à 1, où 1.0595 est la 12ème racine de 2. Les frettes sur le manche d'une guitare sont arrangées selon ce rapport, et tous les appareils d'accord moderne utilisent cette méthode pour indiquer si la hauteur est trop aiguë ou trop basse.

Il y a des centaines d'années, les instruments à cuivre n'avaient pas de valves. Comme un clairon, les premiers cors et trompettes ne pouvaient produire qu'un nombre limité de notes spécifiques. Même si un cor en Fa sans valves peut jouer un do aigu, cette note est désaccordée, rendant le cor inadapté à la musique dans la tonalité de do. Donc, les musiciens devaient soit posséder plusieurs instruments, chacun conçu pour jouer dans une tonalité différente, soit insérer des courroies remplaçables - de courtes sections de tuyau - pour varier la longueur globale du tube. Changer les courroies pendant une performance prend du temps, donc des valves ont été ajoutées aux trompettes et aux cors français vers 1815. Cela a également permis aux musiciens de jouer des notes dans l'échelle tempéramentale égal plutôt que seulement des notes dans la série harmonique.

Le concept de tempérament égal remonte à des milliers d'années, mais J.S. Bach l'a soutenu et en a fait une réalité moderne. Son œuvre de 1722, The Well-Tempered Clavier, est une série de 24 pièces - une dans chaque tonalité majeure et mineure - écrites pour les instruments à clavier de son époque. Cela a eu un grand impact musical ainsi que technique, car cela a permis aux compositions musicales de moduler vers des tonalités éloignées sans que certains instruments ne sonnent désaccordés.

Une autre méthode d'accord appelée just intonation accorde les quintes aux fréquences harmoniques exactes. Dans ce cas, la note E la plus basse dans le tableau 1 serait accordée à 165 Hz au lieu de 164,8 Hz. Les joueurs de cordes accordent souvent leurs instruments de cette façon en jouant des cordes ouvertes adjacentes tout en écoutant les battements tonals - undulation lente du volume lorsque deux notes s'approchent de l'unisson parfait. Vous jouez les deux notes en même temps et ajustez l'accord d'une jusqu'à ce que le pouls ralentisse jusqu'à s'arrêter. Il n'y a pas de différence entre jouer deux notes en même temps ayant des hauteurs légèrement différentes, ou une note qui est modulée en amplitude par un effet de tremolo lent. Le son, l'onde et le spectre résultants sont identiques.

Une autre technique d'accord utilise les harmoniques pour obtenir un unisson parfait. Toucher légèrement une corde A de guitare à la septième frette crée une note E une octave et demie au-dessus de la corde à vide. Toucher légèrement la corde E en dessous de la A à sa cinquième frette crée la même note E. Donc, vous pouvez jouer ces deux harmoniques, l'une après l'autre, laissant les deux continuer à résonner, et accorder l'une ou l'autre corde jusqu'à ce que le battement ralentisse jusqu'à s'arrêter. Accorder via des harmoniques est particulièrement utile pour les basses, car notre perception de la hauteur est moins bonne à basse fréquence.

De nombreux musiciens jouent intentionnellement des notes légèrement aigües ou graves pour l'expression ou l'effet. Si ce n'est pas sur toute la durée de la note, ils peuvent glisser vers une note à partir d'une hauteur plus basse. Jouer une note légèrement fausse peut projeter un sentiment de calme, tandis que jouer légèrement trop aigu ajoute de la tension. Encore une fois, je parle de quantités extrêmement petites, de l'ordre de cinq ou dix cents - 1/100èmes d'un demi-ton musical. Jouer intentionnellement désaccordé est facile avec des instruments sans frettes comme le violon ou le violoncelle, et les joueurs d'instruments à vent le font en modifiant leur embouchure. Les guitaristes changent la hauteur en des quantités grandes ou petites en pliant les cordes, ce qui est une des raisons pour lesquelles leurs cordes peuvent s'étirer de manière non uniforme comme mentionné précédemment. Les musiciens peuvent également jouer légèrement en retard par rapport au rythme, ou un peu en avance - par exemple, 10 à 30 millisecondes - pour ajouter un sentiment de calme ou de tension.

Instruments en "boîte en bois"

Tout comme les salles d'écoute, les instruments fabriqués à partir d'une "boîte" en bois creuse de quelque type que ce soit possèdent également des modes de résonance dont les fréquences sont liées aux dimensions de la boîte. Pour éviter que les résonances modales ne rendent certaines notes beaucoup plus fortes que d'autres, les violons, les guitares et d'autres instruments en boîte de bois sont conçus avec une forme courbée irrégulière. Ces instruments ont toujours des modes, mais les courbes continues sur les côtés minimisent une forte accumulation à des fréquences uniques et à leurs multiples.

Tout comme dans une pièce, lorsqu'un mode résonant est proche, mais pas exactement à, une fréquence jouée, le résultat est une fréquence de battement désaccordée causée par la différence de fréquence. Cela produit un effet connu sous le nom de ton loup, qui est plus prononcé dans les violoncelles et les contrebasses acoustiques que dans les instruments en boîte de bois plus petits. Dans de nombreux violoncelles, une forte résonance se produit quelque part entre le E à 164,8 Hz et le F# à 185 Hz. Que la résonance soit ou non exactement accordée à une fréquence de note standard, cette note sonnera plus forte que les autres et sera plus difficile à contrôler pour le joueur avec l'archet. Même les violoncelles de très bonne qualité peuvent avoir des tons loup, et divers dispositifs qui se fixent au corps du violoncelle ou à une corde basse sont disponibles pour réduire l'effet.

Les instruments en boîte de bois ont également un ou plusieurs trous dans la plaque avant pour permettre aux fréquences plus basses de s'échapper. Les guitares acoustiques ont typiquement un seul trou rond d'environ quatre pouces de diamètre, et les instruments de la famille du violon ont deux trous en forme de "f" en italique minuscule, appelés, de manière appropriée, trous de F. Tous les instruments en boîte de bois créent du son en utilisant le même principe de base que le violoncelle montré à la figure 3. Quatre cordes ou plus sont tendues étroitement au-dessus du manche, avec les deux extrémités fermement ancrées par les chevilles d'accord et la pièce de queue. La longueur vibrante active des cordes se trouve entre le chevalet à une extrémité près des chevilles d'accord et le chevalet qui repose sur le corps. Ceux-ci maintiennent également les cordes en place d'un côté à l'autre. Les mêmes noms sont utilisés pour des pièces similaires sur les guitares acoustiques et les banjos, bien que sur ces instruments, le chevalet et la pièce de queue ne soient qu'une seule unité appelée une selle. Le sourdine de violoncelle montré ici est un petit bloc en caoutchouc qui est placé sur le chevalet pour attenuer partiellement sa vibration.