Les oreilles du Son

Religieux de l'ordre des Minimes, né à Oizé, près du Mans · couvent de la Place Royale, l'actuelle place des Vosges · œuvre : Harmonie universelle (1636–1637).

Le réseau

L'Académie des sciences n'existe pas encore : elle sera fondée en 1666. Sa cellule en tient lieu. Il écrit à Descartes, Gassendi, Fermat, Torricelli, aux Huygens. Il recopie les lettres, relance, confronte les résultats. D'où son surnom de « secrétaire de l'Europe savante ». Il défend Galilée sans adopter toute sa physique : il veut des nombres obtenus.

Ce qu'il a réellement montré

Les lois des cordes. La fréquence d'une corde varie comme l'inverse de sa longueur, comme la racine carrée de sa tension, comme l'inverse de la racine carrée de sa masse par unité de longueur. Galilée en discute ; Mersenne les écrit comme un protocole : même corde, une seule variable changée, puis on écoute.

Une fréquence absolue. Il prend une corde longue et grave, assez lente pour que l'œil compte ses allers-retours. Par ses propres lois, il en déduit la fréquence d'une corde courte accordée à l'unisson d'un tuyau d'orgue : environ 84 vibrations par seconde. C'est la première détermination d'un son audible en cycles par seconde. Avant lui, on avait des rapports.

L'octave en fréquence. L'octave est un rapport 1:2 en fréquence, pas seulement en longueur de corde. C'est le pont entre le monocorde et la physique.

La vitesse du son et l'écho. Tirs d'arme, échos sur des façades, écart entre l'éclair et le bruit : ses valeurs varient d'un protocole à l'autre, d'environ 316 à 448 m/s, faute de contrôler le vent et la température. Le geste compte plus que le nombre : la célérité est finie et mesurable. L'écho n'est plus une nymphe mais une réflexion.

Ce qu'il ne fait pas encore

Pas d'équation d'onde (d'Alembert, 1747). Pas de correction de Laplace (1816). Pas de spectre. Il reste un mécanicien du nombre.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, Portrait I →Atelier S04, la corde →

Physicien · thèse en 1902 sous la direction de Pierre Curie · professeur au Collège de France de 1909 à 1946.

La lignée qu'il reprend

En 1793–1794, Spallanzani observe des chauves-souris qui volent sans voir, et Louis Jurine montre, en leur bouchant les oreilles, que l'audition est en jeu. En 1826, Colladon et Sturm mesurent la vitesse du son dans l'eau du lac Léman. En 1880–1881, les frères Curie découvrent la piézoélectricité et Lippmann prévoit l'effet inverse : un cristal comprimé produit des charges, et une tension le déforme. Après le naufrage du Titanic, Fessenden construit en 1914 un appareil qui détecte un iceberg par l'écho.

Ce qu'il a réellement montré

En 1915, pendant la guerre sous-marine, Langevin et Constantin Chilowsky mettent au point un émetteur d'ultrasons capacitif. En 1917, Langevin seul passe au quartz. Une lame de quartz entre deux armatures reçoit une tension alternative : elle change d'épaisseur au rythme de la fréquence et lance dans l'eau un paquet d'ultrasons. Quand l'écho revient, le même cristal fonctionne comme un micro. C'est le premier transducteur piézoélectrique à quartz, breveté en 1918, base de la technique ultérieure.

La distance se lit sur le temps. L'écho fait l'aller et le retour : on multiplie la vitesse du son dans l'eau, environ 1 500 m/s, par le temps total, puis on divise par deux. Deux millisecondes d'aller-retour correspondent à une cible à 1,5 m. Le même calcul sert pour un sous-marin, un iceberg, un foie ou un fœtus. Seuls changent la fréquence, la puissance et l'usage.

Après la guerre

L'idée passe au contrôle non destructif des métaux, puis à la médecine : premiers essais de Karl Dussik en 1942, échographie clinique avec Howry, Wild et Ian Donald dans les années 1950 à 1970. L'écho-Doppler associe le sonar de Langevin et l'effet Doppler, appliqués aux globules rouges. Langevin est aussi un homme d'engagement public : arrêté par les Allemands en octobre 1940 et révoqué par Vichy, il est rétabli en 1944. Ses cendres entrent au Panthéon en 1948.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte VI, Portrait II →Atelier S16, sonar à impulsion →

Physicien des plasmas · Université de l'Iowa, doctorat en 1965 sous la direction de James Van Allen · titulaire de la chaire James A. Van Allen / Roy J. Carver de physique · responsable scientifique du Plasma Wave Subsystem de Voyager à partir de 1988, après Frederick Scarf.

L'école de l'Iowa

L'équipe de Van Allen construit des instruments de mesure des champs et des particules. Gurnett en hérite : une antenne longue, un récepteur, et une bande de fréquences qui tombe dans l'audible. Les whistlers terrestres, des éclairs dont l'onde électromagnétique se disperse dans la magnétosphère et arrive en sifflement descendant, s'écoutent depuis les années 1950. Gurnett emporte cette écoute plus loin, et envoie les données dans un haut-parleur parce que l'oreille repère vite un motif.

Ce qu'il a réellement montré

1979, Jupiter. Voyager 1 passe près de Io. Au casque, Gurnett reconnaît des whistlers : il y a des éclairs dans l'atmosphère de Jupiter. C'est l'une des deux preuves du survol, avec les images de la face de nuit. Il ne faut pas fabriquer de priorité entre les deux.

2012–2013, le milieu interstellaire. L'instrument mesure des oscillations d'électrons dont la fréquence dépend de la densité du plasma. Dans l'héliogaine, elles sont d'environ 300 à 400 Hz. Deux orages de plasma venus du Soleil excitent le milieu : les oscillations montent à 2,2 kHz en octobre–novembre 2012, puis à 2,6 kHz en avril–mai 2013. La fréquence varie comme la racine carrée de la densité : doubler la fréquence, c'est quadrupler la densité. Voyager 1 est donc dans un plasma plus dense, celui du milieu interstellaire. En remontant le temps, l'équipe date la traversée de l'héliopause au 25 août 2012.

Une méthode. Il écoute aussi pour diagnostiquer un instrument. Il dirige plus tard l'instrument radio et plasma de Cassini, qui étudie les émissions de Saturne de 2004 à 2017. Ses enregistrements sont archivés et ouverts au public par l'Université de l'Iowa.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte IX, Portrait III →Atelier S54, les trois familles →

Né à Samos, fondateur d'une école à Crotone, en Grande-Grèce · aucun écrit conservé · sa doctrine est connue par des auteurs plus tardifs.

Ce qu'il a réellement montré

On ne peut pas dire exactement ce qui revient à Pythagore lui-même. La tradition de son école associe des intervalles musicaux à des rapports simples de longueurs de corde, à tension égale : 2:1 pour l'octave, 3:2 pour la quinte, 4:3 pour la quarte. La plus ancienne source écrite claire est Philolaos, au Ve siècle avant notre ère. C'est la première mathématisation documentée du son musical en Occident.

Le geste est transmis par Nicomaque de Gérase, Jamblique, puis Boèce, qui le fait passer au Moyen Âge latin. L'« harmonie des sphères » de Platon le prolonge : le cosmos lui-même serait accordé. Ce n'est pas une physique des ondes, c'est une philosophie du nombre.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte I, l'Antiquité →Atelier S27, monocorde →

Mathématicien, physicien, astronome · fils du luthiste et théoricien Vincenzo Galilei · œuvre : Discours concernant deux sciences nouvelles (Leyde, 1638).

Ce qu'il a réellement montré

À la fin de la « Première Journée » des Discours, Galilée donne la discussion la plus nette de son époque sur la fréquence, qu'il appelle le nombre des vibrations. Il compare la corde au pendule, examine le rôle de la longueur, de la tension et de la matière de la corde, et relie la consonance à des rapports entiers de fréquences.

Le terrain a été préparé par son père. Vincenzo Galilei critique l'autorité pythagoricienne et mesure : vers 1588–1589, il constate que pour obtenir l'octave en tendant une corde, il faut quadrupler le poids, et non le doubler.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, le XVIIe siècle →

Philosophe de la nature, chimiste · né en Irlande, actif à Oxford puis Londres · œuvre : New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air (1660).

Ce qu'il a réellement montré

Expérience 27 de 1660 : une montre à sonnerie est suspendue sous la cloche d'une pompe à air. À mesure que l'on retire l'air, le tic-tac s'éteint. La démonstration établit que l'air, un milieu, est nécessaire pour que le son arrive jusqu'à l'oreille. La pompe a été conçue et construite par Robert Hooke, alors assistant de Boyle.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, le XVIIe siècle →Atelier S03, cloche de Boyle →

Expérimentateur, architecte · né sur l'île de Wight · responsable des expériences de la Royal Society à partir de 1662 · œuvre : Micrographia (1665).

Ce qu'il a réellement montré

La roue dentée. Une carte frotte contre une roue dentée qui tourne. Plus la roue va vite, plus le son est aigu. Hooke présente l'appareil à la Royal Society en juillet 1681. Le lien entre hauteur et fréquence devient audible et réglable, bien avant la sirène de Cagniard de La Tour (1819).

La plaque farinée. Le 8 juillet 1680, il passe un archet sur une plaque de verre saupoudrée de farine et observe des figures. Chladni systématisera le phénomène un siècle plus tard.

La pompe de Boyle. C'est lui qui la construit.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, le XVIIe siècle →

Mathématicien, physicien · Trinity College, Cambridge · œuvre : Principia (1687), livre II. Dates en calendrier grégorien : 4 janvier 1643 – 31 mars 1727.

Ce qu'il a réellement montré

Dans le livre II des Principia, Newton donne la première formule analytique de la vitesse du son : la racine carrée du rapport entre la pression de l'air et sa masse volumique. Il suppose que l'air comprimé par l'onde garde sa température.

Il publie 968 pieds par seconde en 1687, puis 979 en 1713, soit environ 295 à 298 m/s avec les données de son temps. Les mesures contemporaines donnent déjà 337 à 351 m/s : l'Accademia del Cimento (1666), Cassini (1677), Derham (1708). Newton retouche ses hypothèses pour combler l'écart. Le désaccord durera jusqu'à Laplace.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Ouverture, équation de Newton–Laplace →Acte II, le XVIIe siècle →

Mathématicien · professeur au Collège royal (1686) · membre de l'Académie royale des sciences à partir de 1696.

Ce qu'il a réellement montré

En 1701, il forge le mot acoustique, du grec akouein, entendre. Il désigne une science du son en général, distincte de la musique, qui s'occupe du son en tant qu'agréable à l'oreille. Il étudie les harmoniques, les nœuds et les ventres des cordes vibrantes, les sons simultanés. Il hérite directement de Mersenne : le nom vient après la mesure.

Selon l'éloge de Fontenelle, il fut muet jusqu'à sept ans et resta gêné pour parler. Fontenelle écrit aussi qu'il n'avait « ni voix, ni oreille » pour la musique.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, le XVIIe siècle →Acte III, la musique →

Mathématicien, astronome · œuvre : Traité de mécanique céleste (1798–1825) · mémoire « Sur la vitesse du son dans l'air et dans l'eau » (Annales de chimie et de physique, 1816).

Ce qu'il a réellement montré

Laplace referme l'écart laissé par Newton. Les compressions d'une onde sonore sont trop rapides pour que la chaleur ait le temps de s'échanger : le processus est adiabatique, pas isotherme. Il faut donc multiplier la pression par un facteur, le rapport des capacités thermiques de l'air, noté gamma, qui vaut environ 1,40.

La valeur calculée à la manière de Newton avec des données modernes est d'environ 280 m/s à 0 °C. Multipliée par la racine de 1,4, elle donne environ 331 m/s, en accord avec l'expérience.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Ouverture, équation de Newton–Laplace →

Physicien, musicien, formé en droit · œuvres : Entdeckungen über die Theorie des Klanges (1787), Die Akustik (1802) · inventeur d'instruments (euphone, clavicylindre).

Ce qu'il a réellement montré

Il répand du sable sur une plaque et la frotte à l'archet. Le sable quitte les zones qui vibrent et s'accumule sur les lignes nodales, là où la plaque ne bouge pas. Les figures de Chladni sont la première visualisation, montrable à un public, des modes de vibration d'une plaque.

Il en fait des tournées de démonstration. Il passe par Paris en 1808, devant Napoléon et l'Institut. Le concours ouvert ensuite sur la théorie mathématique des plaques vibrantes est remporté en 1816 par Sophie Germain. En 1794, Chladni a aussi défendu l'origine extraterrestre des météorites.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, XVIIIe–XIXe →Atelier S06, Chladni →

Mathématicien, physicien · membre de l'expédition d'Égypte (1798), préfet de l'Isère (1802–1815) · mémoire du 21 décembre 1807 · Théorie analytique de la chaleur (1822).

Ce qu'il a réellement montré

Un signal périodique peut s'écrire comme une somme de vibrations sinusoïdales, chacune avec son amplitude et sa phase. C'est l'outil de tout spectre et de tout spectrogramme moderne. En 1843, la « loi acoustique d'Ohm » applique l'idée à l'oreille : elle décomposerait un son complexe en composantes sinusoïdales. En 1965, la transformée de Fourier rapide rend le calcul assez rapide pour les machines.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Ouverture, série de Fourier · atelier S17 →Atelier S28, timbre additif →

Médecin militaire de formation, physiologiste puis physicien · inventeur de l'ophtalmoscope (1851) · œuvre : Die Lehre von den Tonempfindungen (1863).

Ce qu'il a réellement montré

Le timbre. Deux instruments qui jouent la même note diffèrent par la répartition de leurs harmoniques : le timbre est un spectre. Ses résonateurs, des sphères creuses accordées chacune sur une fréquence, permettent d'isoler à l'oreille les composantes d'un son.

La rugosité. Quand les partiels de deux notes tombent presque ensemble, ils battent et l'oreille entend une rugosité. Helmholtz en tire une explication physique de la consonance et de la dissonance, reprise au XXe siècle par Plomp et Levelt, puis Sethares.

L'audition. Il propose que des fibres de la membrane basilaire résonnent chacune à une fréquence, comme les cordes d'un piano.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte III, des intervalles aux accords →Acte IV, entendre →

Mathématicien, physicien · mémoire « Sur la lumière colorée des étoiles doubles », présenté à Prague le 25 mai 1842.

Ce qu'il a réellement montré

Quand une source ou un observateur se déplace, la fréquence reçue n'est plus celle émise. Ce qui compte est la cadence à laquelle l'observateur rencontre les fronts d'onde : plus rapide à l'approche, plus lente à l'éloignement. Doppler formule l'effet pour la lumière des étoiles.

L'effet sur le son est vérifié en juin 1845 par Christophorus Buys Ballot, sceptique, avec des cornistes installés sur un train entre Utrecht et Maarssen. Aujourd'hui, l'écho-Doppler mesure la vitesse du sang, et les chauves-souris rhinolophes compensent leur propre vitesse pour garder l'écho dans leur zone d'écoute la plus fine.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte VI, mécanisme Doppler →Atelier S13, qui bouge ? →

John William Strutt, troisième baron Rayleigh · physicien · successeur de Maxwell à la chaire Cavendish de Cambridge (1879–1884) · œuvre : The Theory of Sound (1877–1878).

Ce qu'il a réellement montré

Le traité. The Theory of Sound rassemble les cordes, les membranes, les tuyaux, la propagation et la diffraction dans un même cadre mathématique. C'est la somme fondatrice de l'acoustique moderne.

Les ondes de surface. En 1885, il décrit les ondes qui courent à la surface d'un solide : les ondes de Rayleigh, qu'on retrouve en sismologie.

Deux oreilles. En 1907, sa « théorie duplex » explique la localisation d'un son par deux indices : la différence de temps d'arrivée entre les oreilles pour les graves, la différence de niveau pour les aigus. Tout l'audio spatial en descend.

L'unité d'impédance acoustique, le rayl, porte son nom.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte II, XVIIIe–XIXe →Acte IV, localisation spatiale →

Physicien · Université Harvard · conseiller acoustique du Symphony Hall de Boston, inauguré le 15 octobre 1900.

Ce qu'il a réellement montré

En 1895, Harvard lui confie une salle de cours du Fogg Art Museum où l'on ne comprend rien. Il mesure, avec un tuyau d'orgue et un chronomètre, le temps que met le son à s'éteindre. Nuit après nuit, il déplace les coussins du Sanders Theatre pour faire varier l'absorption.

Il en tire une relation simple : le temps de réverbération croît avec le volume de la salle et diminue avec l'absorption totale de ses surfaces. À volume égal, doubler l'absorption divise la durée par deux. On mesure ce temps comme la durée d'une baisse de 60 décibels. L'unité d'absorption, la sabine, porte son nom.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte VII, acoustique architecturale →Atelier S24, calculateur de Sabine →

Physicien, ingénieur au laboratoire de recherche des Postes hongroises (1923–1946) · Harvard (1947–1966), puis Université d'Hawaï · prix Nobel de physiologie ou médecine 1961.

Ce qu'il a réellement montré

En observant des cochlées prélevées sur des cadavres, il voit une onde parcourir la membrane basilaire, de la base vers l'apex. Son maximum se place à un endroit qui dépend de la fréquence : près de la base pour les aigus, vers l'apex pour les graves. C'est la tonotopie. La cochlée fonctionne comme un analyseur de fréquences mécanique.

Il est le seul lauréat du Nobel 1961, « pour ses découvertes sur le mécanisme physique de la stimulation dans la cochlée ».

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte IV, entendre →Atelier S43, la cochlée →

Physicien britannique · Institute of Laryngology and Otology, Londres, puis UCL Ear Institute · membre de la Royal Society (2004) · article fondateur : Journal of the Acoustical Society of America, vol. 64, 1978.

Ce qu'il a réellement montré

En 1978, Kemp place un petit micro dans le conduit auditif, envoie un clic, et enregistre un son qui revient de l'oreille elle-même, avec un léger retard. Ce sont les otoémissions acoustiques. Elles prouvent que la cochlée contient un amplificateur actif : les cellules ciliées externes. Leur électromotilité sera décrite dans les années 1980.

Les otoémissions provoquées sont devenues un test de dépistage auditif des nouveau-nés, pratiqué à grande échelle avec d'autres mesures automatisées. Kemp fonde en 1988 la société Otodynamics, qui commercialise l'un des premiers appareils de mesure.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte IV, otoémissions →Atelier S43, la cochlée →

Zoologiste · Université Harvard · a forgé le mot echolocation (Science, 1944) · plus tard fondateur de l'éthologie cognitive (The Question of Animal Awareness, 1976).

Ce qu'il a réellement montré

1938. Étudiant à Harvard, il apporte des chauves-souris au physicien George W. Pierce, qui dispose d'un détecteur piézoélectrique. Ils entendent pour la première fois leurs cris, à des dizaines de kilohertz, hors de notre bande audible.

1941–1942. Avec Robert Galambos, il montre qu'une chauve-souris dont on bouche la bouche ou les oreilles heurte les obstacles. La preuve est expérimentale : elle se guide à l'écho de ses propres cris.

1944. Il forge le mot echolocation. En 1960, avec Webster et Michael, il décrit les phases de la chasse d'un insecte : recherche, approche, puis une salve finale très rapide.

Il étudie aussi les salanganes, des oiseaux qui s'orientent dans des grottes par des clics entre 1 et 10 kHz, donc audibles.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte VIII, ultrasons animaux →Atelier S46, la chauve-souris →

Mathématicien, ingénieur · Bell Labs, puis MIT · œuvres : « A Mathematical Theory of Communication » (1948), « Communication in the Presence of Noise » (Proceedings of the IRE, 1949).

Ce qu'il a réellement montré

Un microphone numérique ne mesure la pression qu'un certain nombre de fois par seconde. Shannon énonce en 1949 la condition pour ne rien perdre : si le signal ne contient aucune fréquence au-dessus d'une limite, des échantillons pris plus de deux fois plus souvent que cette limite le déterminent exactement. On le reconstruit par interpolation, sans approximation.

C'est pourquoi le CD échantillonne à 44,1 kHz pour une oreille qui s'arrête vers 20 kHz. Si la condition n'est pas respectée, les fréquences trop hautes se replient et reviennent comme de fausses notes : c'est le repliement, que le filtre placé avant l'échantillonnage empêche.

Ce qu'on lui prête à tort

Dans le dossier — Acte V, le son devient nombre →Atelier S19, échantillonnage →