Harmoniques et timbre

Jouez un A2 sur un piano, puis la même note avec un synthé en dents de scie, puis avec une onde toute simple. Votre logiciel affiche trois fois la même rangée, la même fréquence, et pourtant vous entendez trois sons qui n'ont rien à voir. Cette différence a un nom, le timbre, et elle s'explique très bien avec un peu de théorie. Dans cette partie du cours, nous quittons un moment les gammes et les accords pour regarder le son lui-même, parce que c'est là que la théorie et le travail du son se rejoignent.

Écoutez ces quatre boutons. Ils jouent tous la même note, qui vibre à 110 hertz. Le premier est rond et presque effacé, le dernier est brillant, presque agressif, et les deux du milieu se situent entre les deux. La note ne change pas ; ce qui change, c'est ce que le son contient en plus de cette note.

Un son est une somme de fréquences

Au tout début du cours, nous avons dit qu'un son est une vibration, et que sa hauteur dépend du nombre de vibrations par seconde. C'était vrai, mais incomplet. Presque tous les sons que vous entendez vibrent à plusieurs fréquences en même temps. La plus grave, celle qui donne la note, s'appelle la fondamentale. Les autres, plus aiguës et en général plus faibles, s'appellent les harmoniques.

Le seul son qui ne contient qu'une fréquence, c'est l'onde sinusoïdale, qu'on appelle simplement le sinus. C'est le son le plus pur qui existe, et c'est pour cela qu'il paraît si simple, presque terne. Tous les autres sons sont des mélanges. Leur timbre, c'est la recette de ce mélange : quelles harmoniques sont présentes, et avec quelle force.

Pour l'entendre, construisons un son à la main. Le premier bouton joue un sinus seul à 110 hertz. Le deuxième lui ajoute un sinus à 220 hertz, le troisième en ajoute encore deux, à 330 et 440 hertz, et le dernier empile huit sinus. Écoutez la même note devenir plus pleine, un peu nasale, puis de plus en plus brillante.

Remarquez une chose étonnante : même avec huit fréquences, vous n'entendez pas un accord de huit notes. Vous entendez une seule note, la plus grave, avec une couleur différente. Votre oreille fusionne les harmoniques avec la fondamentale, parce qu'elles sont rangées d'une façon très particulière.

La série harmonique, une échelle qui ne change jamais

Regardez les fréquences que nous venons d'empiler : 110, 220, 330, 440, et ainsi de suite. Chacune est un multiple exact de la fondamentale. La deuxième harmonique vibre deux fois plus vite qu'elle, la troisième trois fois plus vite, la quatrième quatre fois. Cette échelle de multiples s'appelle la série harmonique. Elle est la même pour n'importe quelle note : seule la fondamentale change.

Lisez la dernière colonne de haut en bas : la, la, mi, la, do dièse, mi (A, A, E, A, C♯, E), puis un sol (G) un peu bas, puis de nouveau la (A). Les six premières harmoniques forment l'accord de la majeur, étalé sur plusieurs octaves. Chaque note de votre piano roll porte donc en elle une sorte d'accord majeur très discret. Les harmoniques 5 et 7 ne tombent pas exactement sur une touche ; nous verrons dans la leçon sur le tempérament égal pourquoi cet écart compte.

Quatre formes d'onde, quatre recettes

Les synthés partent presque toujours de quelques formes d'onde de base. Leur nom vient du dessin qu'elles font sur un écran, mais pour vous, ce qui compte, c'est la liste des harmoniques que chacune contient. La voici, avec la force de chaque harmonique par rapport à la fondamentale.

Vous comprenez maintenant ce que vous avez entendu au début. Le sinus n'a rien au-dessus de sa fondamentale. Le triangle n'a que des harmoniques impaires, et elles faiblissent très vite : la troisième est déjà neuf fois plus faible que la fondamentale, ce qui explique qu'il sonne presque comme un sinus. Le carré a les mêmes harmoniques impaires, mais elles faiblissent beaucoup plus lentement, et c'est l'absence des harmoniques paires qui lui donne ce son creux.

La dent de scie, enfin, contient toutes les harmoniques, et chacune ne perd que peu de force par rapport à la précédente : la dixième est encore dix fois moins forte que la fondamentale, pas cent fois. C'est pour cela qu'elle est si brillante. Elle remplit tout le spectre, des graves aux aigus, et c'est aussi pour cela qu'elle est la forme d'onde favorite des synthés : elle donne beaucoup de matière à sculpter.

Le filtre passe-bas retire des harmoniques

Maintenant que vous savez qu'un son est une pile d'harmoniques, le bouton le plus célèbre de votre synthé devient très simple à comprendre. Un filtre passe-bas laisse passer les fréquences graves et atténue les fréquences aiguës. Sa fréquence de coupure, le cutoff, indique où commence l'atténuation : au-dessus, les harmoniques sont affaiblies, et d'autant plus qu'elles sont loin de la coupure.

Prenez une dent de scie sur A2 et réglez la coupure vers 500 hertz. Les quatre premières harmoniques, à 110, 220, 330 et 440 hertz, passent presque intactes ; les suivantes sont de plus en plus atténuées, et le son devient plus sombre, plus feutré. Descendez la coupure vers 150 hertz, et il ne reste presque que la fondamentale : vous êtes revenu près d'un sinus. Écoutez cette descente, imitée ici de façon simplifiée en retirant les harmoniques par le haut.

C'est exactement ce qui se passe quand vous fermez le filtre d'un pad pendant un breakdown, ou quand vous l'ouvrez lentement pendant un build-up : vous retirez ou vous rendez des harmoniques, sans toucher à la note. La rangée reste la même, seule la brillance change. Le réglage de résonance, présent sur la plupart des filtres, renforce les harmoniques situées juste autour de la coupure, ce qui donne ce sifflement caractéristique quand on la fait bouger.

Dans la leçon suivante, nous allons mettre des chiffres précis sur les notes graves du piano roll, pour accorder un kick, une 808 ou un sample au plus juste.