Le timbre (I) - Les bases de l'acoustique : le timbre

Défi­ni­tion du timbre

Le timbre est l’iden­tité du son, son support maté­riel. Il dépend du corps sonore qui est à l’ori­gine de son émis­sion. Prenons un La 440 Hertz émis à 60 Déci­bels : nous iden­ti­fie­rons immé­dia­te­ment une diffé­rence si cette fréquence est émise par un violon, un saxo­phone ou un piano. Pour­tant, il s’agit de la même note, à la même inten­sité, mais l’ins­tru­ment change. Le corps sonore qui vibre n’est pas le même : corde, colonne d’air. De plus ce corps sonore n’est pas mis en mouve­ment par le même « outil » : au violon, corde frot­tée par un archet, pour le sax, colonne d’air mise en vibra­tion par une anche et pour le piano, corde frap­pée par un marteau recou­vert de feutre. C’est le choix de ces supports sonores et de leur mode d’ex­ci­ta­tion qui vont déter­mi­ner une forme d’onde carac­té­ris­tique dans chacun des trois cas. Nous revien­drons plus tard sur le rôle de la caisse de réso­nance qui ajoute encore une dimen­sion supplé­men­taire à cette défi­ni­tion.

Forme d’onde

La forme d’onde la plus élémen­taire est l’onde sinu­soï­dale (fig. 1). Elle est en quelque sorte au son, ce que l’atome est à la matière.

Les sons sinu­soï­daux purs sont rares : diapa­son, fric­tion sur le verre humide. On leur prêtait autre­fois des pouvoirs étranges sur le compor­te­ment humain !

Les sons qui nous entourent sont plus fréquem­ment de nature complexe. C’est à dire qu’à l’in­té­rieur d’une masse sonore que nous perce­vons comme unique, il y a un mélange de très nombreuses petites sinu­soïdes qui ont en quelque sorte « fusionné » pour produire un même son. C’est la nature de ce mélange qui déter­mine la forme d’onde résul­tante ( fig. 2) et qui est respon­sable de l’iden­tité timbrale. On la nomme spectre.

Fig.2 : Signal Carré

Fig 2 : Signal en dent de scie

Repré­sen­ta­tion spec­trale

Il existe plusieurs modes de repré­sen­ta­tion graphique pour maté­ria­li­ser la forme du son. Nous en choi­si­rons un aujour­d’hui, le sona­graphe pour sa clarté péda­go­gique lors d’une première approche acous­tique.( fig 3).

Hori­zon­ta­le­ment : le temps en seconde. Verti­ca­le­ment : les valeurs des fréquences en Hertz . Un son sinu­soï­dal de 100 Hertz est donc repré­senté par un trait hori­zon­tal à la hauteur corres­pon­dant à la valeur 100. Un son harmo­nique de 100 Hertz est repré­senté par la super­po­si­tion de traits corres­pon­dant aux valeurs respec­tives des sinu­soïdes de 100 ; 200 ; 300 : n X 100 Hertz. La longueur des traits traduit la durée du son.

Bruits

Imagi­nons qu’à des puis­sances iden­tiques, toutes les fréquences sinu­soï­dales percep­tibles par l’oreille humaine ( de 20 Hertz à 20 kHertz ) se trouvent ainsi « mélan­gées » en un seul signal sonore. Nous obtien­drons ce qu’il est convenu d’ap­pe­ler : un bruit blanc, c’est à dire du souffle. Si ce dernier est très bref, nous l’iden­ti­fie­rons comme un choc plus ou moins sec. Les consonnes appar­tiennent à cette caté­go­rie de son de même que le corps sonore qui reçoit l’at­taque de l’ « outil » qui le met en vibra­tion commence par produire un bruit . Ce bruit corres­pond au temps de stabi­li­sa­tion de l’onde avant qu’elle prenne sa forme défi­ni­tive. Le frot­te­ment de l’ar­chet sur la corde de violon s’ap­pa­rente à un bruit de souffle, la percus­sion du marteau sur la corde du piano à un choc sec ( fig 4). Ces notions seront appro­fon­dies lorsque nous parle­rons de la courbe d’en­ve­loppe d’un son et des tran­si­toires.
Dans le cas où cette suite de fréquences serait comprise entre des valeurs limites, on parlera de bande de bruits.

Si une zone d’entre elles est parti­cu­liè­re­ment « gonflée » en éner­gie, on parlera de bruit coloré autour de cette zone émer­gente.
Un bruit rose est un bruit blanc avec une pondé­ra­tion de 3 dB A par octaves.

Son harmo­nique

Nous avons mis en évidence le carac­tère pluriel de la compo­si­tion des sons, à présent nous allons nous inté­res­ser à une répar­ti­tion parti­cu­lière des fréquences dans le spectre sonore : les sons harmo­niques.

Un son harmo­nique est un son dont les sinu­soïdes qui le composent obéissent à une loi mathé­ma­tique appe­lée  loi de Fourier. Cette loi se traduit ainsi : un signal complexe pério­dique c’est à dire qui se repro­duit iden­tique à lui même à inter­valles de temps régu­liers, se décom­pose en un certain nombre de sinu­soïdes dont les valeurs sont des multiples entiers de la plus petite d’entre elles (donc la plus grave).

Un exemple de son harmo­nique : un son de 100 Hertz dont les compo­santes seraient 100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 Hertz. La hauteur perçue est la fréquence la plus basse, c’est-à-dire 100 Hertz. Les compo­santes suivantes 2×100 , 3×100, 4×100 etc. sont bien des fréquences calcu­lées sur des multiples entiers ( 2 ; 3 ; 4, etc.) elles se nomment des harmo­niques. La fréquence la plus basse qui leur sert de base de calcul se nomme le fonda­men­tal. Le rang d’un harmo­nique est le nombre entier par lequel on a multi­plié le fonda­men­tal. On parlera par exemple d’har­mo­nique de rang 3, dans le cas présent 300 Hertz. (figure 5)

La hauteur d’un son harmo­nique est faci­le­ment percep­tible par l’oreille. Ces sons se perçoivent aisé­ment « justes » . C’est pour cette raison que les instru­ments musi­caux mélo­diques seront conçus pour produire des spectres harmo­niques ou presque.

Les bruits dont nous avons parlé précé­dem­ment sont des signaux apério­diques. Ils carac­té­risent les instru­ments à percus­sion.

La répar­ti­tion de l’éner­gie dans le spectre

Une fréquence « gonflée » en éner­gie s’ap­pelle un « formant » (fig 6) . Si c’est le cas d’une bande de fréquences consé­cu­tives, on parlera de zone forman­tique comprise entre x et y Hertz.

Cette répar­ti­tion de l’éner­gie joue un rôle impor­tant dans la percep­tion timbrale, au même titre que le nombre de compo­santes dans le spectre, leur répar­ti­tion ou leur régu­la­rité ou non par rapport au modèle harmo­nique.

Quelques exemples de repré­sen­ta­tion graphique

a- un son de violon : bruit de souffle à l’at­taque, spectre harmo­nique
b- Un son de flûte : spectre harmo­nique
c- Un piano : bruit d’at­taque du marteau, choc sec et spectre pas tout à fait régu­liè­re­ment harmo­nique.
d- Son chaud : peu d’har­mo­nique mais répar­ti­tion de l’éner­gie régu­lière du grave vers l’aigu.
e- Son « aigre » son harmo­nique à forte concen­tra­tion d’éner­gie dans l’aigu
f- Son qui sonne creux : perte d’har­mo­niques dans le médium
g- Son nasillard : faiblesse dans le grave, médium gonflé, aigus affai­blis
h- Son pas harmo­nique : comme une cloche désac­cor­dée.
i- Signal carré, harmo­niques impairs : sonne comme une clari­nette

Dans le cadre des correc­tions sur une console

C’est l’étage des correc­teurs qui permet­tra de retou­cher le timbre sur la console. Selon les modèles, ils seront plus ou moins sophis­tiqués et offri­ront des possi­bi­li­tés d’ajus­te­ments diffé­rentes. Nous lais­se­rons de côté les « simples » correc­teurs grave/aigu que l’on peut trou­ver sur les amplis « Hi-Fi » ou sur les mixettes d’en­trée de gamme et dont l’ef­fet sera plus celui d’une correc­tion physio­lo­gique d’équi­libre du signal par rapport aux condi­tions d’écoute domes­tique, pour abor­der la section de correc­tions des « petits » modèles numé­riques actuels ou des prin­ci­paux logi­ciels d’en­re­gis­tre­ment. On admet­tra en préam­bule que les correc­teurs timbraux ne seront prin­ci­pa­le­ment utili­sés que dans une logique… correc­tive, et non à fin d’es­pé­rer amélio­rer le signal capté : on ne rendra jamais « excep­tion­nel », par leur utili­sa­tion, un son qui ne serait que très moyen à la capta­tion, à cause du place­ment du micro face à la source sonore ou de la nature même de ce micro… Les correc­teurs se partagent la bande des fréquences audibles (les fameux 20 Hertz à 20 kHertz…) en plusieurs sous-bandes. On parle ainsi géné­ra­le­ment de correc­teurs aigu, haut-médium, bas-médium et grave. Le premier travail consis­tera donc à évaluer, avant toute action sur le correc­teur, dans quelle zone de fréquences se situe le problème à corri­ger et ensuite, à iden­ti­fier sa nature : est-ce une colo­ra­tion outran­cière non détec­tée à la capta­tion, un « para­site » lié à l’en­vi­ron­ne­ment, un effet de « masquage » lié à la présence d’autres instru­ments…

À quoi ça ressemble ?

Les correc­teurs de timbre sont des filtres à… harmo­niques et partiels ! Leur spéci­fi­cité est qu’ils ne se contentent pas seule­ment de suppri­mer des compo­sants, mais ils peuvent aussi « ampli­fier » une zone de fréquences choi­sie. Évidem­ment, s’il « n’y a rien » dans le signal dans la zone consi­dé­rée, c’est du souffle qu’on ajou­tera ! Un « bon » étage de correc­teurs propose en géné­ral 4 « sous-bandes ». Chacun propose au moins deux réglages : un ajus­te­ment de fréquence et un gain d’ef­fi­ca­cité. On les nomme alors « semi-para­mé­triques ». Il n’est pas rare de trou­ver un troi­sième réglage, nommé « facteur Q » ou sélec­ti­vité, dont l’objet sera de plus ou moins « resser­rer » ou « d’élar­gir » la zone d’ac­tion du filtre. Lorsque ce 3ème réglage est présent, le correc­teur est alors quali­fié de « para­mé­trique ». L’ajus­te­ment de fréquences sera dosable dans les deux limites de la sous-bande de fonc­tion­ne­ment du filtre (nos logi­ciels se sont affran­chi de ces limites !).

Le gain d’ef­fi­ca­cité défi­nit, en dB, le « niveau » d’ac­tion du filtre, au niveau de sa fréquence de coupure, autre­ment dit, de la fréquence à laquelle il est réglé. Comme on peut le voir sur la figure 8 emprun­tée à Cubase 4, ce réglage de gain peut être posi­tif ou néga­tif. On remarque égale­ment que l’ac­tion du filtre est plus ou moins « raide » de part et d’autre de la fréquence de coupure sélec­tion­née. La « pente » de cette cloche sera préci­sé­ment ajus­tée par le réglage de sélec­ti­vité.

Comment inter­ve­nir sur le timbre

Il ne faut pas perdre de vue que les actions réali­sées sur le son d’un instru­ment seront forcé­ment destruc­trices par rapport au son capté, ce dernier l’étant… souvent aussi, par rapport au son origi­nal. C’est donc avec prudence qu’il faudra agir ! Avant de toucher à quoi que ce soit, imagi­ner le résul­tat, après correc­tion : je veux un son plus « chaud », je veux reti­rer des basses, je veux faire « émer­ger » mon instru­ment du mixage, je veux suppri­mer cette réso­nance éner­vante qui vient du studio… Nous vous propo­sons le petit tableau ci-dessous, en guise de « fiche pratique » ; vous y trou­ve­rez une rapide « check-list » vous permet­tant de faire vos correc­tions timbrales, en parfaite maîtrise de la chose. N’ou­bliez cepen­dant pas que l’écoute est le point fonda­men­tal et ultime de juge­ment sur la qualité de votre travail…