INRP - TECNE : site informatique, physique et musique (Et aussi... (enquête à propos de l'enseignement de l'acoustique musicale))

Daniel BEAUFILS, Jean-Claude LE TOUZÉ
Paul CAUBISENS, Gérard SERRA
© INRP - TECNE
Dernière mise à jour 05/06/1998

Les remarques de nombreux collègues de physique et de musique conduisent à penser que la partie "acoustique musicale" est délicate, soit pour l'enseignant de physique en raison notamment de connaissances musicales prérequises, soit pour l'enseignant d'éducation musicale en raison cette fois des notions physiques mises en jeu dans les explications.

Nous avons cherché à mieux cerner le problème en s'adressant aux enseignants des deux disciplines ayant eu précisément en charge l'enseignement des nouveaux programmes de physique de seconde qui comportent une part d'acoustique musicale. Pour cela, nous avons élaboré un questionnaire qui a été proposé (en fin d'année scolaire 1995-96) à une cinquantaine des enseignants travaillant dans des établissements dans lesquels des moyens informatisés étaient déjà utilisés, au laboratoire de physique ou dans la salle de musique.

Seuls 33 questionnaires ont été exploitables (16 remplis par des enseignants de physique enseignant en classe de seconde, et 17 remplis par des enseignants de musique dont la plupart enseignaient en classe de 3^ème).

L'une des questions classiques posées par l'interdisciplinarité est l'accord des enseignants sur le vocabulaire utilisé. Nous avons choisi 14 termes apparaissant dans les programmes : son - bruit - intensité acoustique - puissance sonore - décibel/Bel - fréquence d’un son - domaine de fréquences audibles - bande passante d’un appareil - son musical - hauteur - timbre - spectre de fréquences - son fondamental - harmonique(s).

Pour chacun d'entre eux, nous avons proposé une liste de définitions, issues des manuels scolaires et des programmes officiels, complétée par des définitions normalisées quand elles existaient et par des définitions utilisées par les enseignants du groupe.

Bruit

son complexe qui se distinguent par la difficulté de lui attribuer une hauteur ;
son dont le spectre est très chargé en fréquences très voisines ;
ce qui, à un moment donné, ne peut-être entendu comme musical ;
vibration acoustique erratique, intermittente ou statistiquement aléatoire ;
toute sensation auditive désagréable ou gênante ;
son complexe, produit par des vibrations irrégulières, apériodiques.

On note dans cette liste que les définitions 1 et 3 sont plutôt celles de "musiciens", et que la 6 correspond à celle des programmes de physique de Seconde. Enfin, il convient de savoir que les définitions 4 et 5 sont celles de la norme AFNOR.

Intensité acoustique

puissance acoustique reçue par unité de surface du récepteur (se mesure en W.m-2) ;
qualité physiologique qui nous fait distinguer un son fort d'un son faible ;
qualité d'un son (fort ou faible) qui dépend de l'amplitude des vibrations sonores ;
caractère de la sensation auditive lié principalement à la pression acoustique et à ses variations, qui fait dire que le son est fort ou faible suivant que la pression acoustique est plus ou moins élevée.

La définition 1 est évidemment la définition scientifique , c'est celle qui est également au programme de la classe de physique de seconde. La définition 3 se trouve également dans des manuels de physique de seconde, mais convient assez bien à l'approche courante, utilisée par le musicien.

Son musical

son périodique mais rarement sinusoïdal ;
son périodique non sinusoïdal ;
son ayant un spectre fréquentiel bien défini et qui évolue progressivement dans le temps ;
tout son utilisé pour faire de la musique ;
son pouvant être défini par trois paramètres : son amplitude, sa hauteur et son timbre ;
tout son écouté avec une intention musicale ;
son produit par un instrument ;
son culturellement défini comme tel.

On reconnaît dans la définition 1 ce qui est écrit en toutes lettres dans les programmes de physique de la classe de Seconde. Du côté des musiciens, il faut savoir que cette terminologie est discutée : définir le concept de son musical est bien difficile, puisqu'il peut s'agir évidemment du son produit par un instrument (supposé maîtrisé par l'instrumentiste), mais plus généralement tout son utilisé pour créer de la musique ou simplement écouté avec une intention musicale.

Hauteur

la hauteur d'un son musical est déterminée par la fréquence de l'onde sonore correspondante ;
la hauteur est le résultat du plus ou moins grand nombre de vibrations produites dans un temps donné ; plus il y a de vibrations, plus le son est aigu ; (le "la" du diapason fait 440 vibrations en une seconde) ;
caractère de la sensation auditive lié à la fréquence d'un son périodique, qui fait dire que le son est aigu ou grave selon que cette fréquence est plus ou moins élevée ;
terme usuel pour désigner la fréquence des sons, c'est-à-dire le nombre de vibrations par seconde du corps sonore ; un son étant plus ou moins haut selon que la fréquence est plus ou moins élevée.

La définition 1, courte et précise, fait implicitement l'hypothèse que la notion de fréquence est connue, tandis que les autres font intervenir l'image de la vibration, suivant des formulations plus ou moins quantitatives.

Timbre

le timbre d'un son de fréquence N est caractérisé par le nombre et l'amplitude relative des harmoniques ;
le timbre est lié à la complexité de la vibration sonore ;
qualité perceptive qui, à hauteur et intensité identiques, permet de distinguer deux sources sonores différentes ;
sensation liée à l'évolution temporelle de la composition fréquentielle de l'objet sonore (aux phases transitoires d'attaque et d'extinction, notamment) ;
distingue le son des instruments (lorsqu'ils produisent un son de même hauteur et de même intensité) ; le timbre dépend du principe d'émission, de la forme et du volume de l'instrument, etc.

La question de la définition "textuelle" du timbre est évidemment d'importance. Les deux premières définitions sont celles qui figurent généralement dans les manuels scolaires de physique. La définition 4 est en fait la définition scientifique la plus précise. Les définitions 3 et 5 sont "empiriques", la dernière étant en principe celle utilisée par les musiciens.

Son fondamental

son pur de même fréquence que le son musical étudié.
le plus grave des sons simples composant un son complexe
la note qui engendre les autres notes d'un accord par le jeu des sons harmoniques.
dans un son périodique, premier terme de la série harmonique.

Bien évidemment, figurent ici les deux définitions "étrangères" l'une de l'autre : celle du physicien "éclairé par Fourier" (définition 1 et 4) et celle du musicien qui pense aux accords (définition 3).

Harmonique(s)

chacun des sons purs de fréquences 2N, 3N... qui composent un son de fréquence N.
chacune des composantes spectrales (N, 2N, 3N, etc.) d'un son périodique.
sons secondaires émis par un corps sonore mis en vibration.

Les définitions 1 et 2 sont celles qui correspondent aux séries de Fourier, tandis que la 3 correspond à une perception plus claire pour les musiciens.

Il s'agissait, pour les enseignants, de cocher la ou les définition(s) (deux au maximum) qui correspondaient à celles qu'ils donnaient effectivement aux élèves.

L'une des difficultés dans l'interdisciplinarité, et plus généralement dans la relation entre disciplines, réside dans l'appartenance de telle ou telle connaissance à telle ou telle discipline. On connaît le problème entre physique et mathématique, physique et informatique, mathématique et informatique... La question se pose manifestement entre physique et musique puisque, d'un côté, les réticences des enseignants de physique à traiter ce chapitre sont justifiées par la non-appartenance à la physique "fondamentale", et d'un autre, les musiciens considèrent que les aspects scientifique et technique ne relèvent plus de la culture musicale. Cela dit, il est clair que pour un certain nombre de notions, il ne peut y avoir d'exclusive, et qu'elles relèvent nécessairement des deux disciplines.

Notre objectif était de connaître le point de vue des enseignants de physique et de musique quant à l'appartenance claire à une discipline ou à la nécessité des deux. Nous avons donc repris une liste de 19 notions qui concernent essentiellement l'analyse et la synthèse sonore qui, cette fois, débordent du strict programme de la classe de seconde (notamment au niveau des principes de modulations).

Parmi ces termes on trouve naturellement hauteur, intensité, fréquence, amplitude, harmoniques, qui apparaissent dans les programmes de physique de la classe de seconde. On notera ici la présence du terme sonagramme qui est, par ailleurs, une des notions que nous considérons comme importante dans notre problématique.

Chaque enseignant, de physique ou de musique, devait donc se prononcer sur la (ou les) disciplines concernées par ces notions. À ces deux disciplines nous avons naturellement ajouté une colonne "autre" où les collègues pouvaient ajouter biologie, mathématique, etc.

L'objectif était de connaître les éventuelles difficultés rencontrées par les élèves au cours de l'apprentissage des différents savoirs et savoir-faire. Nous avons élaboré une liste d'items pour lesquels trois niveaux de base étaient proposés : "facile" (les élèves ont assimilé facilement), "difficile" (les élèves n'ont pas bien compris ou bien ont mis du temps à assimiler), ou "normale" (on ne constate ni difficultés, ni facilités particulières). Nous avons ajouté deux options : "non évalué" et "non traité".

Savoir-faire (1) : capacités à utiliser des représentations graphiques des...

On note ici les deux grands types de logiciels qui permette de faire du "son musical" :

Il s'agit là des capacités correspondant directement aux notions de hauteur, de timbre et d'intensité. Plus précisément, il s'agit soit d'un objectif essentiel, soit d'un prérequis : la capacité à différencier les trois paramètres !

On reconnaît ci-dessus, là encore, les capacités qui correspondent aux instructions officielles des programmes de physique de seconde (utiliser un oscilloscope et un ordinateur pour étudier un son) et les outils classiques de la manipulation et de la synthèse sonore (sur ordinateur et/ou sur synthétiseurs).

L'obtention de quelques informations relatives à la mise en oeuvre effective dans les classes nous a également semblé nécessaire. En effet, le fait d'avoir traité ou non telle ou telle partie, d'avoir abordé ou non telle ou telle notion dépend des conditions matérielles et de la formation des enseignants. Nous avons ainsi été amenés à ajouter des questions relatives à ces deux aspects. De plus, il nous a semblé utile de demander un avis global des enseignants sur cette partie du programme. Pour ces rubriques, des zones de "réponse libre" étaient prévues.

Nous donnons ici les éléments les plus marquants qui ressortent de l'analyse des 33 réponses.

Les notions (exceptées, dans quelques cas, celles de puissance sonore, de son musical et de bruit) sont toutes abordées par les enseignants de physique. Pour ce qui concerne les musiciens, les notions de puissance sonore, spectre et bande passante d'un haut-parleur n'ont pas été traitées par environ la moitié des enseignants (ceci est en cohérence avec les niveaux d'enseignement).

Dans le tableau qui suit, nous indiquons les définitions sur lesquelles on constate un accord de plus de la moitié des enseignants de physique. Dans la colonne adjacente figure le nombre Np d'enseignants de physique ayant choisi la définition et pour information nous indiquons le nombre Nm d'enseignants de musique qui ont sélectionné (ou non) cette même définition.

Ci-dessous le tableau équivalent des définitions sur lesquelles on constate un accord d’au moins la moitié des enseignants de musique, et à titre indicatif le nombre Nm d'enseignants de physique qui ont sélectionné (ou non) cette même définition.

L'accord physicien/musicien sur les définitions est donc limité. On peut le relever sur les deux définitions suivantes, pour lesquelles l'accord est "positif" :

Les définitions pour lesquelles on constate le plus grand désaccord sont les suivantes :

Par ailleurs, et comme on pouvait le prévoir, le terme de timbre a suscité, globalement, un étalement des réponses.

Les réponses ne font apparaître un consensus entre "physiciens" et "musiciens" que sur quelques notions : amplitude,, décibel, fréquence, modulation d'amplitude et modulation de fréquence relèvent de la physique, tandis que consonance relève de la musique.

Les réponses font apparaître une divergence d'opinion sur les sujets table d'onde et sonagramme, et, dans une moindre mesure, sur hauteur et intensité. Table d'ondes semble connu des enseignants de musique mais est perçu comme un "concept" plus technique, donc attribué à l'enseignement de physique. Du côté des physiciens, la notion semble méconnue et plutôt attribuée aux musiciens... Enfin, si le sonagramme semble relever des deux disciplines pour les physiciens, il est perçu essentiellement comme relevant du domaine de la physique par les musiciens.

En outre, il ressortt que les notions de hauteur, harmonique, intensité et timbre n'appartiennent pas à une discipline en particulier. Il est intéressant de constater qu'il s'agit d'un avis partagé : plus de la moitié des enseignants pensent que ces notions concernent les 2 disciplines.

Dans cette partie nous avons cherché à connaître, d'une part, les notions considérées comme essentielles et ayant donc fait l'objet d'une évaluation et, d'autre part, celles dont l'acquisition par les élèves a été facile ou difficile. Le tableau ci-dessous indique les notions les plus fréquemment évaluées par plus de la moitié (en rouge) des enseignants dans l’une ou l’autre des 2 disciplines.

Notions évaluées	Physique	Musique
Intensité	15	16
Hauteur	14	16
Timbre	12	16
Octave	10	15
Décomposition en harmoniques	11	9
Décibel	10	5
Son musical	4	16
Intervalle	2	16
Tessiture	0	16
Accord	2	15
Gamme	1	15

Pour les musiciens un grand nombre de ces notions ont été évaluées. On peut noter que le diagramme de Fletcher est non-traité, et que les questions relatives à la synthèse additive, la notion d'enveloppe, le décibel, et la numérisation du son ne sont que rarement abordées.

Pour ce qui concerne les physiciens, les notions traitées par la majorité des enseignants sont explicitement au programme de la classe de Seconde.

On remarque que les notions de hauteur, d'intensité, timbre et octave sont traitées "à égalité" avec les musiciens. À l'inverse, le décibel apparaît clairement comme une notion scientifique.

Pour ce qui concerne les notions évaluées par plus de la moitié des enseignants de chaque discipline, le tableau suivant indique le pourcentage des réponses pour lesquelles l'acquisition est considérée comme difficile :

On notera ici que la notion d'intensité présente une grande différence entre physiciens et musiciens. Celle-ci est sans doute liée au caractère quantitatif de cette notion pour les physiciens ; cette hypothèse est confortée par le fait que la notion de décibel est par ailleurs considérée comme difficile par 70 % des physiciens.

La différence, certes faible, pour la notion d'octave semble, à l'inverse, lié à la définition "technique" du physicien : le doublement de fréquence.

Pour ce qui concerne les capacités à lire ou utiliser les représentations graphiques des séquenceurs et des logiciels "audio", il n'est pas surprenant de voir qu'elles ont été abordées par moins de 10 % des professeurs de physique.

Pour les musiciens on peut constater que seules les notions liées à l'utilisation de séquenceurs ont été abordées. Cela ne concerne cependant qu'un petit tiers des enseignants qui, bien évidement, disposent et utilisent des matériels.

Pour ce qui concerne les capacités perceptives à reconnaître un intervalle d'octave, une même note jouée avec des instruments différents ou avec des intensités différentes (perception de hauteur), celles-ci sont non-traitées en physique tandis qu'elles sont naturellement évaluées en musique. Elle sont considérées comme plutôt faciles, hormis celle à reconnaître une même note jouée par deux instruments différents.

Pour ce qui concerne l'utilisation d'oscilloscope, d'ordinateur, d'outils de traitement/analyse, ce sont, naturellement cette fois, les enseignants de musique qui ne les ont pas abordées.

Pour les physiciens, sur les 16 fiches analysées, 8 enseignants évaluent l'utilisation de l'oscilloscope (considérée comme plutôt facile) et 4 évaluent l'utilisation de l'ordinateur (dont 2 des 8 précédents).

Trop d'absence de réponses nous empêche de conclure précisément quant à l'utilisation d'instruments pour les professeurs de physique. On doit cependant noter qu'au moins 50% des enseignants disent de pas avoir fait appel à un instrument d'élève.

Pour ce qui concerne les "ressources" utilisées dans la classe, la moitié des enseignants, aussi bien en physique et en musique, utilisent l'ordinateur dans ce domaine. L'utilisation d'un instrument et d'un synthétiseur apparaît au même niveau que l'ordinateur pour les enseignants de musique.

Enfin, ce qui apparaît clairement, c'est l'abscence d'interdisciplinarité entre les professeurs de physique et de musique.

Des compléments de formation sont souhaités par les professeurs de physique, la demande est forte pour des éléments de théorie de la musique. Vient à peu près au même niveau les demandes de complément sur la physique des instruments et sur la perception acoustique. Ces éléments viennent avant les demandes concernant les aspects plus techniques comme l'enregistrement numérique, l'analyse spectrale, etc.

Pour les musiciens, la plus forte demande porte sur l'analyse spectrale et la synthèse numérique. Suivent de très près les demandes concernant la perception acoustique, la musique contemporaine, l'enregistrement numérique et les compléments mathématiques.

Pour les physiciens, il ressort manifestement que cette partie du programme de la classe de Seconde ne peut être traitée que de façon superficielle, en particulier par manque de temps. De plus, la difficulté du domaine est soulignée, soit en fonction du niveau des élèves de Seconde, soit en fonction de la formation initiale des enseignants. Enfin, plusieurs enseignants font remarquer que l'effet de motivation escompté chez les élèves n'a pas été observé. Une certaine déception peut être également sentie chez les enseignants qui font remarquer que l'investissement est à fond perdu car il n'y a pas de suite dans les classes ultérieures.

Pour les musiciens, l'intérêt est plus marqué mais le domaine est considéré comme nécessitant une mise en oeuvre lourde et du matériel souvent manquant. L'interdisciplinarité avec la physique est évoquée, mais pour en souligner à la fois l'intérêt et l'absence.

La question de l'interdisciplinarité est d’abord celle de l’avis des enseignants concernés sur la possibilité de travailler sur des objets communs et des outils communs. Le premier de ces aspects concerne le champ des notions pouvant relever des deux disciplines : c'est le cas des notions de hauteur, harmonique, intensité et timbre.

Mais l'interdisciplinarité doit également tenir compte de l'accord très limité sur le vocabulaire utilisé. On relève des écarts parfois importants entre physiciens et musiciens sur des notions centrales en acoustique musicale, telles que : bruit, hauteur, son fondamental, harmonique. Cela dit, il faut noter qu’un désaccord tel que nous avons pu le relever n’est pas nécessairement incompatible avec une interdisciplinarité : un concept peut avoir deux facettes complémentaires qui relèvent séparément des deux disciplines, comme c'est le cas du concept d'intensité.

Notons, enfin, que la relation entre les disciplines ne se limite pas à une stricte "interdisciplinarité", mais peut également reposer sur une complémentarité. Ainsi, des notions telles que amplitude, fréquence, modulation, etc., sont perçues comme typiquement scientifiques bien que nécessairement utilisées par les musiciens.

L’interdisciplinarité conçue autour des outils communs, que seraient les instruments classiques et moyens informatisés, apparaît dans notre enquête comme illusoire. D’un côté, les enseignants de physique ne font pas appel à un instrument d’élève, ainsi qu’il l’est indiqué dans les instructions. De l’autre, les moyens informatisés et les oscillogrammes exploités par les physiciens n’ont pas d’utilisations équivalentes en musique : les logiciels de musique, tels les séquenceurs audionumériques, qui permettraient la manipulation sur l’enveloppe d’amplitude, les filtrages spectraux, etc., ne sont pas utilisés.

La question posée explicitement dans notre enquête montre clairement l’absence d'interdisciplinarité entre les professeurs de physique et de musique. Comment nous l’avons déjà fait remarquer, cela s'explique à l'évidence pour les enseignants de physique de lycée qui n'ont généralement pas de collègue "musicien". Cela s'explique moins en collège où les deux disciplines sont présentes. L’incompatibilité des contenus est sans doute alors le principal facteur.

Pour ce qui concerne les physiciens, les notions d'intensité, de hauteur, de timbre, de décomposition en harmonique, et de décibel sont traitées par la majorité des enseignants. Mais, les notions de son musical et de synthèse additive ne font pas l'objet d'un consensus bien qu'explicitement au programme. De plus, on peut noter que si les notions sont bien considérées comme texte du savoir, les capacités correspondantes ne sont pas évaluées : perception de hauteur, utilisation de méthodes informatiques, etc. C’est chez les musiciens qu'elles sont évaluées. Ainsi, la reconnaissance d'un intervalle d'octave, d'une même note jouée avec des instruments différents ou avec des intensités différentes (perception de hauteur), non-traitées en physique, sont naturellement évaluées en musique où elles sont d’ailleurs considérées comme plutôt faciles.

Au-delà du manque de temps, la difficulté conceptuelle du domaine est soulignée par les physiciens et les limitations matérielles sont mises en avant par les musiciens. Rappelons pour terminer, l’avis de plusieurs collègues de physique : l'acoustique, et plus spécifiquement l’acoustique musicale, n’est pas considérée comme un domaine relevant de la physique. À cela, il faut sans doute ajouter que pour les musiciens, l’acoustique ne relève pas de la musique...

Notion	Définition	Np	Nm
Domaine de fréquences audibles	Domaine de fréquences allant de 20 Hz à 20 000Hz.	16	10
Bande passante	Domaine de fréquences pour lequel le haut-parleur produit des sons avec une fidélité et une intensité convenables.	13	3
Harmonique	Chacun des sons purs de fréquences 2N, 3N... qui composent un son de fréquence N.	13	4
Intensité	Puissance acoustique reçue par unité de surface du récepteur (se mesure en W.m^-2)	11	0
Décibel	Intensité acoustique mesurée avec un sonomètre (symbole: dB)	9	11
Puissance	Valeur de l'énergie émise par une source en une seconde ; s'exprime en Watt.	8	6
Fréquence	Fréquence du fondamental.	8	2
Hauteur	La hauteur d'un son musical est déterminée par la fréquence de l'onde sonore correspondante.	8	3

Notion	Définition	Np	Nm
Bande passante	La bande passante est le domaine de fréquences pour lequel le haut-parleur produit des sons avec une fidélité et une intensité convenables	13	3
Bande passsante	Gamme de fréquences qu'un appareil peut restituer ou enregistrer.	1	9
Bruit	Son complexe qui se distinguent par la difficulté de lui attribuer une hauteur.	3	11
Harmonique	Sons secondaires émis par un corps sonore mis en vibration.	0	12
Harmonique	Son pur de même fréquence que le son musical étudié.	13	4
Hauteur	La hauteur est le résultat du plus ou moins grand nombre de vibrations produites dans un temps donné ; plus il y a de vibrations, plus le son est aigu ; (le "la" du diapason fait 440 vibrations en une seconde).	2	10
Intensité	Puissance acoustique reçue par unité de surface du récepteur (se mesure en W.m^-2).	11	0
Son fondamental	La note qui engendre les autres notes d'un accord par le jeu des sons harmoniques.	0	8

Notions difficiles pour les ...	Physiciens	Musiciens
Hauteur	7%	6%
Intensité	20%	0%
Timbre	33%	38%
Octave	0%	7%