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Une archéologie du cinéma sonore

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Giusy Pisano

Deuxième partie. De la machine - homme aux appareils étranges

Chapitre VII. La visualisation du mouvement ondulatoire du son : de Thomas Young au premier appareil inscripteur

Texte intégral

1Nous abordons dans cette partie la période déterminante qui aboutira à la réalisation du rêve millénaire : captation et reproduction du mouvement d’une onde sonore. En ce qui concerne la connaissance des phénomènes sonores, à l’aube du xixe siècle, toutes les propriétés – intensité, hauteur, timbre – sont théoriquement définies. Le son, au même titre que d’autres phénomènes naturels, comme la lumière ou la chaleur, est considéré comme un mouvement de nature vibratoire. Il est déterminé par des facteurs extérieurs – par exemple un corps sonore en action, une source sonore – et il implique également la présence d’un sujet récepteur qui en perçoit l’impression. Les éléments extérieurs, dans des conditions et des circonstances particulières, déterminent, en dehors de nous, un mouvement précis : ce mouvement, se propageant du corps sonore en action à l’oreille, ébranle nos nerfs et provoque ainsi la sensation auditive.

  • 1 John Tyndall, Le Son, op. cit., p. 1-2 (trad. de l’abbé Moigno).

« Les différents nerfs du corps humain ont leur origine dans le cerveau, et le cerveau est le siège de la sensation. […] On a les plus fortes raisons de penser que […] ce qui est apporté au cerveau par les nerfs est du mouvement. C’est le mouvement excité par le sucre dans les nerfs du goût qui, transmis au cerveau, y produit la sensation de la saveur douce du sucre, tandis que l’amertume est le résultat d’un autre mouvement produit par l’aloès, par exemple. […] C’est le mouvement imprimé aux nerfs optiques par les rayons du soleil, qui éveille dans le cerveau la sensation de lumière ; tandis qu’un mouvement semblable, communiqué à d’autres nerfs, se traduit en chaleur dans ce merveilleux organe de la perception. Il ne s’agit pas ici d’un mouvement de translation du nerf, mais d’une vibration ou d’une sorte de frémissement des molécules ou particules infiniment petites dont il se compose. Les différents nerfs sont appropriés à la transmission des différentes sortes de mouvements moléculaires. Les nerfs du goût, par exemple, ne sont pas aptes à transmettre les vibrations sonores. Celles-ci exigent un nerf spécial, le nerf auditif, qui passe du cerveau dans une des cavités de l’oreille, où il se ramifie en une infinité de filaments. C’est le mouvement imprimé à ce nerf auditif qui, transmis au cerveau, se traduit par le son1. »

  • 2 Amédée Guillemin, Le Son : notions d’acoustique physique et musicale, Paris, Hachette, 1875, p. 7.

2Naturellement, si le corps sonore est en repos, il n’y a pas de son, et il en est de même si le nerf auditif est inactif ou paralysé. Tout ceci nous paraît aujourd’hui très simple et élémentaire. Cependant, la définition d’une séparation entre phénomènes extérieurs et facteurs liés à nos sens, a été la condition préalable pour parvenir, au cours du xixe siècle, à la différentiation entre « acoustique physique » et « acoustique physiologique ». Les deux branches de l’acoustique ou science du son ont un objet d’étude commun, tout en se séparant en deux parties : « (…) dans l’une, on étudie le son dans les phénomènes extérieurs qui le déterminent, indépendamment de son action sur nos sens, et si, dans cette étude on fait intervenir la sensation, c’est seulement comme moyen d’investigation, comme procédé de recherche ; cette première partie de l’acoustique se nomme l’« acoustique physique ». Dans l’autre partie, qu’on nomme l’« acoustique physiologique », ce sont les lois des sensations auditives qui font l’objet de la science ; c’est le son parvenu à l’oreille, ce sont les modifications que l’ébranlement sonore produit dans l’organe de l’ouïe, le rôle joué par les diverses parties de cet organe et enfin la comparaison des sensations elles-mêmes que l’on a particulièrement en vue. On pourrait caractériser ces deux branches de l’acoustique en disant que l’« acoustique physique » a pour objet le son hors de l’homme, et l’« acoustique physiologique », le son dans l’homme2. »

3La prise en compte de l’aspect physiologique de la part des physiciens, de même que le glissement des physiologistes vers d’autres disciplines comme la mécanique et la physique, vont forcément établir des « passerelles » entre savants travaillant souvent en parallèle. C’est ainsi que des médecins – Young, Marey, Félix Savart, Félix Regnault et bien d’autres – élargissent le champ de leurs recherches aux lois de l’acoustique et de l’optique ou encore aux fondements de la mécanique et établissent des relations avec leurs collègues physiciens, mathématiciens et linguistes : Wheatstone, Koenig, Bernard, Duhamel, Lissajous, Deprez, l’abbé Rousselot, Marichelle, Vaïsse, Gaidoz, Havet, etc.

  • 3 Étienne-Jules Marey, La Méthode graphique, op. cit., p. 109. Il faut signaler que l’anémographe de (...)

4L’estimation de la vitesse de la circulation du sang ainsi que le transport de l’agent nerveux sensitif ou moteur, le transport d’une image ou d’un son d’une source émettrice jusqu’à sa captation, possèdent en commun l’idée du mouvement et la difficulté intrinsèque qui rend problématique sa fixation et donc son étude. Tous ont en commun le même objet d’étude : le mouvement ; tous ont comme lieu de travail un laboratoire, dans lequel ils se sont dotés d’un appareillage indispensable à leurs recherches, tous ont proposé une méthode de transcription visuelle des phénomènes naturels, tous ont échangé leurs résultats lors de communications dans les grandes salles institutionnelles à vocation d’enseignement pédagogique : l’Académie des sciences, le Collège de France, la Royal Society, ou encore la Société de biologie. Tous ont enfin adopté pour l’application de leurs recherches – aussi bien sur la transcription de la parole que sur le mouvement des animaux et de l’homme – l’idée d’un cylindre couvert de noir de fumée, utilisé par Thomas Young, que l’un des pionniers du mouvement photographié (Marey) a défini comme l’inventeur de la « chronographie3 ».

Thomas Young : interférences

5Thomas Young est à l’origine de tous les travaux portant sur la transcription du mouvement, mais, en dépit de cette reconnaissance unanime, son travail reste finalement peu connu en France, voire ignoré. Une infime partie de ses publications a été traduite à la fin du xixe siècle – citons par exemple l’initiative prise par la Société française d’ophtalmologie en 1894 – et constitue à l’heure actuelle l’unique corpus de sources françaises disponibles. Bien évidemment, tout ouvrage ayant un rapport direct avec les domaines explorés par Young fait référence à ses travaux, mais dans le meilleur des cas la citation se limite à quelques lignes. Pour nous, les idées de Young constituent le passage obligé qui permet d’expliquer, en termes de continuité ou de rupture, les recherches scientifiques menées successivement par les savants tout au long du xixe siècle. Thomas Young est en effet le personnage central qui, dans cette période d’expérimentation, étudie de façon systématique les interférences entre la lumière et le son.

6Ce médecin anglais aux connaissances multiples incarne la mutation du savant encyclopédiste vers la figure de l’inventeur du xixe siècle. Parfaitement polyglotte, il sait le grec, le latin, l’hébreu, le français, l’italien, le persan et l’arabe. Il écrit une analyse des systèmes philosophiques connus en Grèce et se passionne pour les mathématiques, la botanique, la médecine. La passion pour la physique a gagné Londres quand en 1801 il commence ses recherches à la Royal Institution. En 1811, il entre au Saint George’s Hospital, quitte l’exercice de la médecine en 1818, après avoir été élu secrétaire au Board of Longitudes, où il rédige le Nautical Almanac. C’est à cette époque que Young découvre sa passion pour les hiéroglyphes et, en 1823, il commence à étudier l’opposition entre les caractères phonétiques contenus dans les cartouches et les caractères idéographiques. La musique fait également partie de ses multiples centres d’intérêt : il joue de nombreux instruments, tout en écrivant des mémoires sur les arches des ponts, la théorie des marées, la charpente des vaisseaux, le calcul des éclipses, l’atmosphère de la lune, la théorie mathématique des courbes épicycloïdales, le frottement dans les axes des machines, etc. En 1805, ses recherches en physique aboutiront à la fixation des dimensions approximatives des molécules. Parallèlement, au cours de ses travaux de médecine, portant sur la fièvre jaune, le rôle du cœur et des artères, la classification des maladies, il invente l’ériomètre, instrument utilisé pour mesurer la taille des cellules du sang.

  • 4 Thomas Young, « Observations on Vision : Philosophical Transactions », t. LXXXIII, p. 91, traduit (...)
  • 5 Id., « Sur le mécanisme de l’œil », Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 76.
  • 6 Id., « A Bakerian Lecture on the Mechanism of the Eye », Philosophical Transactions, 1801, p. 23.
  • 7 Sur ce sujet Young a publié « A Bakerian Lecture on the Theory of Light and Colours », Philosophic (...)
  • 8 Les notes sur le daltonisme sont publiées dans le deuxième volume de A Course of Lectures on Natur (...)

7Young, esprit éclectique, est connu avant tout pour son apport dans les recherches sur la physique et la physiologie de la vision. Il montre, dès 1793, que l’accommodation de l’œil – sa capacité à percevoir des objets situés à une distance très petite ou aux contraires très éloignés – est assurée par le pouvoir musculaire du cristallin. À partir des considérations et des observations faites sur les opérés de cataracte, qui ne possèdent plus la faculté d’accommoder l’œil à différentes distances, Young parvient à la déduction suivante : « J’avais conclu que les rayons lumineux, provenant d’un objet situé à petite distance, ne peuvent être réunis en un foyer sur la rétine que par un changement du cristallin, qui rapprocherait sa forme de celle d’une sphère ; et je ne pouvais imaginer d’autre force capable de produire un tel changement qu’en admettant qu’une partie ou la totalité de la capsule fût de nature musculaire4 », ce qui lui permet donc de conclure qu’il « faut attribuer au cristallin la faculté de changer de forme5 » selon la distance des objets. Young approfondit ces études dans un travail plus général sur le mécanisme de l’œil qu’il présente à la Royal Society le 27 novembre 18006. C’est dans cette communication qu’il donne une première ébauche de ses recherches sur la vision et l’astigmatisme et présente un nouveau type d’optomètre, instrument capable de mesurer le pouvoir réfringent de l’œil. Puis quelques années plus tard, en 18027, il publie ses travaux sur la théorie des couleurs, parvenant à la conclusion que la perception de la couleur est due à l’action de trois nerfs rétiniens qui sont excités respectivement par le rouge, le vert et le violet. Il les définit comme couleurs de principe, pouvant par leur combinaison former les autres : il en déduit que les troubles de la vision colorée résulteraient du mauvais fonctionnement de l’un de ces nerfs8 (théorie connue aussi sous le nom de trechronomatique de Young-Helmholtz).

  • 9 Éloge par François Arago, in Thomas Young, Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 2

8C’était une courte étape dans l’étude du système de la vision, dont l’importance permet néanmoins de placer Thomas Young parmi les fondateurs de l’optique physiologique, ce qui ne veut pas dire, évidemment, qu’il fut le premier et le seul initiateur de toutes les connaissances sur l’œil : « Avant lui, la découverte de la chambre obscure (Della Porta, Léonard de Vinci vers l’année 1500) avait naturellement provoqué la comparaison de l’œil humain avec cet appareil. Kepler (1604) avait expliqué la formation de l’image au fond de l’œil. Scheiner (1619) avait exécuté ses célèbres expériences. Mariotte (1668) avait découvert la tache aveugle, et Newton (1704) la décomposition de la lumière blanche. […] Mais lorsque, quittant le domaine de l’ancienne ophtalmologie, on entre dans le champ ouvert par les travaux de Young, on semble tomber dans un monde nouveau. Ses œuvres donnent pleinement la sensation de la modernité9. »

9Cependant, malgré l’originalité et la valeur scientifiques de ses découvertes, Young ne parvint pas à attirer l’attention de ses contemporains. Pourquoi ? La nature multiforme de ses connaissances a-t-elle eu une influence négative sur son statut de médecin, physicien, opticien, philosophe, etc. ? Plus concrètement, la crédibilité scientifique de ses travaux doit être mise en relation avec le fait que ses ouvrages, unanimement reconnus comme étant d’une lecture difficile, demeuraient trop imprégnés de notions mathématiques selon le point de vue des physiologistes et pas assez rigoureux selon les physiciens. En outre, son opposition aux idées de l’illustre Newton a freiné la divulgation de ses recherches et lui a valu une mise à l’écart pendant plus d’un quart de siècle. Néanmoins les critiques et les attaques parfois assez virulentes de ses confrères n’ont pas réussi à arrêter cet esprit foncièrement précurseur. À la suite de ces malentendus, Young déplace l’objet de ses recherches vers l’analyse des phénomènes lumineux. Sur la base de ses connaissances physiologiques de la vision, il peut enfin aborder, avec l’apport des lois de la physique, l’essence même de l’insaisissable : la lumière.

Le son révèle la lumière

  • 10 M. Moitessier, La Lumière, Paris, Hachette, 1876, p. 240-280.

10À la fin du xviiie siècle, deux conceptions sur la nature des phénomènes lumineux se disputaient la faveur des savants : la théorie de l’émission et celle des ondulations. La première était très ancienne, mais elle fut développée sous une forme plus moderne par Isaac Newton, qui dans une communication à la Royal Society, le 8 février 1672, exposa sa conception de la nature corpusculaire de la lumière. Il considérait le corps lumineux comme une source émettrice d’un flux de minuscules particules, qui se propageaient suivant un mouvement rectiligne, conformément à la direction des rayons lumineux. Selon cette théorie, la vision aurait son origine dans la collision entre ces molécules et la superficie oculaire. Autrement dit, quand nous regardons le soleil, les molécules lumineuses qui nous frappent seraient sorties de la matière même de l’astre quelques minutes auparavant et auraient traversé, pendant cet intervalle de temps, les quarante millions de lieues qui nous séparent de lui10.

  • 11 Ibid., p. 242.
  • 12 Georges Mourier, Les Ondes en physique : de Pythagore à nos jours, vibrations, ondes, impulsions, (...)
  • 13 Thomas Young, A Sybillabus of a Course of Lectures on Natural and Experimental Philosophy, 8 t., L (...)

11Young reprend en revanche la deuxième théorie, ondulatoire, avancée par Huygens en 1678 et exposée dans son Traité sur la lumière (1690). Huygens considérait l’espace comme envahi par un subtil moyen élastique, l’éther, à travers lequel les ondes, provenant d’une source lumineuse, se propageaient dans toutes les directions. Ces ondulations jaillissaient autour d’un point d’origine de manière circulaire régulière, à la façon d’une pierre qui tombant dans l’eau produit une série d’ondes qui se propagent en cercles réguliers. L’éther est « pour la lumière ce que l’air est pour le son, c’est-à-dire le véhicule nécessaire à sa transmission11 ». Cependant, « si la conception d’Huygens de la propagation de la lumière est une des clés de la physique, Young a en même temps fourni un test universel pour démontrer la nature ondulatoire d’un phénomène12 ». À partir des constatations avancées par Huygens, le médecin anglais commence à étudier le principe fondamental qui est à l’origine du phénomène : il découvre ainsi le processus des interférences lumineuses (appelé aussi les « trous d’Young ») et il explique sa théorie dans deux communications publiées à la fin de 180213 :

  • 14 Cité par Charles Singer, Breve storia del pensiero scientifico, op. cit., p. 336.

« Supposons un certain nombre d’ondes égales, en mouvement sur la superficie d’un lac, qui se dirigent avec une certaine vitesse constante vers un étroit canal dérivant du lac ; supposons maintenant qu’une autre série d’ondes, qui rejoignent avec la même vitesse ce canal. Les deux séries d’ondes ne s’annulent pas, au contraire, leurs effets vont se cumuler. Si l’entrée dans le canal se réalise de manière que les points maximaux d’élévation d’une des séries coïncident avec ceux de l’autre série, nous aurons comme résultat une unique série avec des élévations plus importantes ; mais si les élévations d’une série sont disposées d’une manière à correspondre aux dépressions de l’autre, elles pourront remplir exactement ces dépressions, aplatissant ainsi la surface de l’eau – je ne vois pas comment cela pourrait se passer autrement, tant dans la théorie que dans les faits. Moi, je soutiens que des effets similaires à ceux décrits ici, se reproduisent chaque fois que deux faisceaux lumineux arrivent à s’assembler, c’est cela que j’entends pour loi générale d’interférence de la lumière14. »

12Le concept d’interférence peut être représenté de manière plus simple, si nous imaginons que les ondes, générées par un centre de perturbation, arrivent de deux canaux différents d’une longueur inégale et vont successivement se réunir. Si, dans le point de réunion les ondes se retrouvent dans une phase opposée, elles se neutralisent réciproquement.

Dessin de Thomas Young. Les ondes divergentes du centre A passent à travers l’ouverture BC se diffusant sur chaque côté, c’est-à-dire « fléchissant vers l’ombre » de manière à couvrir l’espace BCDE. D’après Ch. Singer, Breve storia del pensiero scientifico, Turin, Ernaudi, 1969.

13De la lumière ajoutée à de la lumière peut dans certains cas produire non pas un accroissement d’intensité lumineuse, mais au contraire une obscurité complète. Nous pouvons aisément imaginer l’accueil et la surprise qu’ont reçu à l’époque les conclusions de Young : qui aurait pu songer que l’obscurité puisse être engendrée en ajoutant de la lumière à la lumière ! D’autant plus que, lorsqu’il présenta publiquement sa théorie, il ne l’avait pas encore soumise à l’épreuve des expérimentations.

14Ce n’est que peu après qu’il effectua sa première expérience afin de rendre visible le phénomène des interférences : deux rayons provenant d’une même source, mais se dirigeant vers deux parcours différents, se croisent en un certain point de l’espace. Young place dans ce point une feuille de beau papier. Il remarque que chaque rayon, pris isolément, la fait briller d’un vif éclat, mais, là où les rayons arrivent simultanément sur la feuille, toute clarté disparaît. Pour parvenir aux preuves véritables, Young s’attaque au problème plus général du mouvement de la lumière. Il lui fallait tout d’abord expliquer le type de trajectoire accomplie par ces fameux rayons avant de rencontrer un point de convergence. Il retrouve alors dans les applications relatives aux phénomènes sonores les indications susceptibles d’expliquer les phénomènes visuels. Déjà dans ses travaux sur le mécanisme de l’œil, Young avait recherché les similitudes entre le sens visuel et le sens auditif, car, pour lui, l’oreille est :

  • 15 Thomas Young, « Sur le mécanisme de l’œil », lu à la Société Royale, le 27 novembre 1800, in Œuvre (...)

« […] le seul des organes qui lui puisse être strictement comparé. En effet, les objets soumis à l’odorat, au goût et au toucher sont, sans préparation, mis au contact immédiat des terminaisons des nerfs, et la seule difficulté à résoudre consiste dès lors à expliquer la nature de l’action de ces objets sur les nerfs, et sa communication au sensorium. L’œil et l’oreille, au contraire, sont de simples organes préparatoires, destinés à transmettre les impressions de la lumière et du son à la rétine et à la terminaison du délicat nerf auditif. Dans l’œil, la lumière est transmise à la rétine sans aucun changement dans la nature de sa propagation. Dans l’oreille – cela est probable – les petits os transmettent les vibrations du son, non point par le mouvement successif des différentes particules du même milieu élastique, mais comme des corps passifs durs, dépourvus d’élasticité, subissant les impulsions de l’air en leur étendue totale et au même instant15. »

  • 16 Thomas Young, Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 222.
  • 17 M. Moitessier, La Lumière, op. cit., p. 243.

15Les similitudes entre ces deux organes s’étendent aussi à la nature du mouvement de l’objet qu’ils reçoivent : l’un la lumière, l’autre le son. Dans la théorie ondulatoire avancée d’abord par Huygens et reprise ensuite par Young, « la supposition fondamentale est que les particules des corps, agitées vivement, produisent des vibrations dans l’éther qui, à partir de ces corps, se propagent dans toutes les directions suivant des lignes droites, et qui produisent la sensation de lumière en frappant le fond de l’œil, à peu près comme les vibrations de l’air produisent la sensation des sons, en frappant les organes auditifs16 ». L’idée même de la nature du mouvement de la lumière prend donc son origine sur l’observation du mouvement du son. Le mouvement de la lumière lui semblait en tout point comparable à celui engendré par le son. Une fois expliquée « la nature du son, celle de la lumière nous apparaîtra ensuite avec plus de netteté17 ». C’est grâce donc à la comparaison rigoureuse entre les phénomènes sonores et les phénomènes lumineux que la nouvelle théorie a pu s’affirmer.

Des cordes, des tuyaux sonores, des verges et des plaques pour visualiser les vibrations

16Alors que Young entame ses recherches, certains principes étaient déjà partagés par l’ensemble des scientifiques. On avait, par exemple, observé que le son se propage selon un mouvement de type ondulatoire formé par des petites excursions de va-et-vient, en avant et en arrière. Ces mouvements caractéristiques du corps sonore constituent ce qu’on appelle en acoustique des vibrations et la superposition de deux vibrations, une « interférence ». À cette époque, il y avait plusieurs moyens pour rendre « visible » le mouvement vibratoire : des cordes, des tuyaux, des plaques. Le plus simple pour visualiser ces vibrations était une corde tendue que l’on faisait résonner. Ses oscillations devenaient visibles grâce à la persistance des impressions lumineuses : la corde apparaissait sous la forme d’un fuseau parce que l’œil en percevait simultanément les positions extrêmes. C’est pour cette même raison que les contours d’un diapason d’une certaine dimension deviennent confus dès qu’il est provoqué par des vibrations. Une visualisation plus nette des oscillations d’une corde horizontale pouvait être réalisée, en appliquant sur la corde deux morceaux de papier que l’on voyait danser aussitôt qu’elle résonnait.

17D’autres expériences avaient été effectuées avec des cordes de dimensions différentes, ou encore avec des modes d’ébranlement variés (à une seule des extrémités, aux deux, attachées à un diapason, etc.). En dehors des cordes, ce genre d’expériences a été tenté avec des supports aussi différents que les verges sonores – des tiges cylindriques de bois, de métal, de verre ou d’autres substances élastiques – ou les tuyaux sonores, de forme prismatique ou cylindrique dont la colonne d’air qu’ils renferment était mise en vibration par une embouchure.

  • 18 John Tyndall, Le Son, op. cit., p. 128.

18Quant à Thomas Young, l’originalité de son approche consistait précisément à utiliser la lumière pour analyser les vibrations sonores. Il dirigeait un rayon lumineux sur une corde de piano, afin d’obtenir un point lumineux très brillant et lorsque la corde commençait à vibrer, comme l’explique John Tyndall dans son célèbre ouvrage Le Son, « ce point décrivait une ligne lumineuse semblable à celle que fait naître dans l’air la rotation rapide d’un charbon ardent, et la forme de cette ligne de lumière lui révélait les caractères du mouvement vibratoire de la corde18 ». L’expérience de Young montrait que les oscillations d’une corde se produisent sur des plans différents et créent des courbes plus ou moins complexes : des vibrations partielles (celles formées sur les différents plans de la corde), superposées à celles de la corde entière, apparaissent sous la forme de courbes fermées ou de boucles lumineuses. La forme de l’onde sonore est alors modifiée par l’effet de ces vibrations superposées avec des conséquences sur la qualité ou le timbre du son. On produit en somme à partir d’une vibration principale une série de vibrations particulières : l’ensemble de ces dernières constitue les « harmoniques » du son fondamental et, à travers ces sons ajoutés au son fondamental, l’oreille parvient à distinguer le « timbre » d’une voix par rapport à une autre ou celui de différents instruments.

19Cette idée des oscillations se situant sur des plans différents est riche d’implications et permet, entre autres, d’établir les principes de « nœuds » et de « ventres » des vibrations. Prenons une corde tendue et fixée aux deux extrémités, si, au moyen d’un archet, on fait vibrer une partie de la corde (le segment AC), les autres parties (CN et NB) entrent tout de suite en vibration, mais chacune d’elles vibre isolément autour d’un point N qui, lui, reste immobile, quoique libre. Ce point de repos est appelé un « nœud » de vibration, ainsi que les points A, B et C. Les « ventres » de vibrations sont représentés par les segments AC, CN, NB, car c’est ici que l’agitation atteint son apogée. Si, au lieu du tiers de la corde, nous faisons vibrer le quart, il se forme dans les trois autres quarts deux nœuds de vibrations et trois ventres ; de même que si on en fait vibrer le cinquième, on obtient trois nœuds et quatre ventres, etc. À la suite de cette expérience nous pouvons constater que le nombre de vibrations des sons harmoniques d’une corde qui vibre transversalement varie comme les nombres entiers de la série naturelle 1, 2, 3, 4, 5. Le nombre de toutes ces vibrations exécutées sur la corde définit la « hauteur » du son : plus ce nombre est grand, plus le son est haut ou aigu ; vice versa plus il est petit, plus le son est bas ou grave. L’« intensité » du son produit est donc égale à l’amplitude des vibrations qui le produisent, le son s’affaiblit à mesure que l’amplitude de ses oscillations diminue.

Corde vibrante. D’après A. Guillemin, Le Son, Paris, Hachette, 1875.

  • 19 Jean Langlebert, Physique, Paris, Delalain frères, 1883, chap. 29, p. 480-489.
  • 20 Matière résineuse, sèche, transparente, jaune ou brune, qui est le résidu de la distillation de la (...)

20Par la suite, des études plus approfondies des cordes vibrantes ont abouti à l’élaboration d’une première typologie du phénomène qui a permis de distinguer les transversales des longitudinales19. Les premières se créent perpendiculairement à la longueur des cordes et s’obtiennent soit avec un archet, soit en pinçant les cordes ou enfin par percussion. Les secondes sont en fonction directe de la longueur des cordes et se réalisent en frottant celles-ci longitudinalement avec un morceau de tissu saupoudré de colophane20. Les vibrations transversales concernent les sons musicaux. Elles obéissent aux quatre lois suivantes : 1, le nombre de vibrations exécutées par une corde dans un temps donné est en raison inverse de sa longueur ; 2, le nombre de vibrations des cordes est en raison inverse de leur diamètre ; 3, le nombre de vibrations d’une corde est proportionnel aux racines carrées des poids qui la tendent ; 4, le nombre de vibrations des cordes de matières différentes est en raison inverse des racines carrées de leurs densités. Les vibrations longitudinales des cordes sont réglées par ces mêmes lois, avec une seule différence : elles sont beaucoup plus rapides et par conséquent elles produisent des sons très aigus. Sans trop s’étendre sur le sujet, nous ajouterons que ces quatre lois fondamentales, que Lagrange a discerné par le calcul en 1759, ont pu être démontrées par la suite à l’aide d’un instrument : le sonomètre.

21Une partie essentielle des données théoriques concernant la nature et les qualités du son, dont nous avons présenté une rapide illustration, était donc déjà connue au xviiie siècle, mais il fallait parvenir à en démontrer la réalité par les faits, par l’observation expérimentale. C’est à cette tâche que se consacrèrent Chladni, Young, Helmholtz, Savart, Wheatstone, Lissajous, Wertheim, Martinville, Koenig, Edison, Bell, Marey, Rousselot. La pertinence des méthodes employées, l’expérimentation scientifique à la base de leur démarche ont permis de réaliser des progrès décisifs dans la compréhension des phénomènes sonores en quelques décennies.

Les figures vibratoires de Chladni

  • 21 Ernest Chladni publie en 1802 l’ouvrage Die Akustik (Leipzig, Breitkopf & Hartel) dont il en assur (...)

22Dans un premier temps donc, toutes les expérimentations visaient à rendre visible le mouvement vibratoire (preuve matérielle que le phénomène existe). Elles ont rapidement abouti à une formalisation partielle permettant d’avancer des lois qui, dans une étape suivante, seront soumise à vérification. Cette nouvelle phase représente un moment important car elle implique nécessairement le passage de la visualisation à la fixation du mouvement. Les premiers véritables essais sur la fixation ont eu lieu à la fin du xviiie siècle (vers 1785), quand l’Allemand Ernest-Florens-Frédéric Chladni21 (1756-1827), docteur en droit et philosophie, entreprend des recherches sur l’acoustique :

  • 22 Cité par John Tyndall, Le Son, op. cit., p. 146-147.

« Grand admirateur de musique dont j’avais commencé l’étude un peu tard, dans ma dix-neuvième année, je remarquai que l’acoustique était moins avancée que la plupart des autres branches de la physique expérimentale. Cette remarque m’inspira le désir de faire cesser cette infériorité et de contribuer par quelque découverte au progrès de cette partie de la science. En 1785, j’avais observé qu’une plaque de verre ou de métal rendait des sons différents quand on la frappait sur différents points ; mais je ne pus trouver nulle part le moindre éclaircissement sur les modes de vibrations correspondants. Vers cette époque apparut dans les journaux la description d’un instrument construit en Italie par l’abbé Mazocchi composé de cloches que l’on faisait sonner au moyen d’un ou deux archets de violon. Ce fait m’inspira l’idée de recourir à l’archet pour examiner les vibrations différentes, des corps sonores. Lorsque j’appliquais l’archet à une plaque ronde de verre fixée par son centre, j’en tirais différents sons dont les nombres de vibrations par seconde étaient représentés par les carrés de 2, 3, 4, 5, etc. ; mais la nature des mouvements auxquels correspondaient respectivement ces divers sons et les moyens de reproduire chacun d’eux à volonté restaient tout à fait inconnus pour moi. Les expériences sur les figures électriques à la surface d’un gâteau de résine, découvertes et publiées par Lichtenberg dans les mémoires de la Société royale de Goettingue, me firent présumer que les différents mouvements vibratoires d’une plaque sonore pourraient se présenter sous des apparences différentes, si je répandais à sa surface du sable très fin ou quelque autre matière pulvérulente. Dans le premier essai de ce moyen, la figure qui s’offrit à mes yeux sur la plaque circulaire ressemblait à une étoile à dix ou douze rayons22. »

Plaque vibrante d’après Chladni. D’après R. Radau, L’Acoustique, Paris, Hachette, 1870.

23L’artifice imaginé par Chladni est donc d’une extrême simplicité : rendre visible les vibrations sonores en versant du sable sur la surface d’un corps vibrant. Dès que la plaque entre en vibration, les grains du sable se mettent en mouvement. Puis elles vont se ranger en figures régulières et symétriques, constituant celles qui sont nommées « lignes nodales », marquant les endroits où les vibrations sont nulles ou immobiles. Ces lignes sont nombreuses et complexes ; elles varient en fonction de la forme de la plaque (rectangulaire, carrée, triangulaire, circulaire) et en relation avec les sons qu’une même plaque peut donner (selon l’angle d’attaque avec l’archet, s’il s’agit par exemple du milieu de l’un des côtés, le sable qui marque les lignes de repos se dispose le long des diagonales). Les figures composées d’un grand nombre de ces lignes correspondent aux sons les plus aigus, ce qui a permis de conclure que le timbre est plus élevé quand l’étendue des parties vibrantes diminue. Ce qui revient à dire que plus la plaque est divisée par les lignes formant des segments d’une taille décroissante, plus les vibrations deviennent rapides, par conséquent l’intensité du ton augmente. Au point culminant de ce processus, la note est si aiguë qu’elle pourrait endommager le système auditif. Voici donc la première découverte de Chladni qui a autorisé l’étude de la hauteur et de l’intensité des timbres. « Les figures » de Chladni peuvent certainement être mises en relation avec la théorie sur la lumière soutenue par Young, puisqu’il suffit de remplacer l’archet par une source lumineuse et le point de convergence des rayons avec les lignes nodales : dans les deux cas les phénomènes qui en résultent ont été désignés comme des points de repos, appelés « interférences ».

Les premiers essais de fixation

  • 23 R. Radau, L’Acoustique ou les Phénomènes du son, Paris, Hachette, 1867, p. 180-181.
  • 24 Félix Savart, « d’abord chirurgien des armées, puis médecin praticien à Strasbourg, musicien assez (...)

24La représentation « graphique » des vibrations réalisés par Chladni a eu le mérite d’ouvrir la voie à toutes sortes d’expérimentations sur la fixation du mouvement, ses figures ayant « exercé la sagacité des savants ; on les considérait comme une énigme insoluble23 ». Le déchiffrement des dessins formés sur la plaque était difficile (le sable n’ayant aucune forme d’immobilisme était impossible à conserver). Plutôt que d’un véritable support scientifique, il s’agissait d’une trace aléatoire et éphémère. Plusieurs solutions – quelque peu archaïques – ont été expérimentées pour en faciliter l’observation. Savart24, par exemple, avait remplacé le sable par de la poudre de tournesol gommée et, en appliquant un papier humide sur la plaque, il obtenait l’impression de chaque figure. De ce fait, la manipulation et donc la lecture étaient moins périlleuses, mais l’empreinte était-elle fiable ? Nous sommes encore loin de la traduction des phénomènes sonores et visuels par un « langage infaillible » qui se substitue aux simples sensations de la vue et de l’ouïe. À ce stade d’avancement des recherches, plusieurs questions restaient encore sans réponses : comment obtenir un élément fiable et comment garder une trace précise des excursions du son et de la lumière ?

25L’enjeu capital résidait dans le mouvement, mais comment le démontrer ? Comment établir une classification et étudier la nature des vibrations sonore les plus faibles ? Comment déterminer le nombre absolu de vibrations et transcrire les vibrations de la voix ou d’un autre son quelconque transmises dans l’air ? Quelles relations existent entre ces vibrations et les sensations auditives ? Comment prouver la validité des lois théoriquement établies ? Et comment enfin, « transcrire » et « lire » avec précision ce qui est du domaine du sensitif, du temporel et de l’invisible ?

26La solution permettant de fixer de manière fiable et durable les phénomènes insaisissables est trouvée par Thomas Young. Après ses expérimentations sur la visualisation des vibrations, Young commence rapidement, dès 1807, des recherches sur la méthode à employer pour la transcription du mouvement vibratoire. Au cours de ses recherches, il imagine un appareil pouvant traduire graphiquement les vibrations d’un corps sonore, dont il donne la description dans A Course of Lectures on Natural Philosophy and Mechanical Arts :

  • 25 Thomas Young, A Course of Lectures on Natural Philosophy and Mechanical Arts, London, 1807, t. I, (...)

« Mon instrument peut servir sans difficulté à mesurer le nombre et l’amplitude des vibrations des corps sonores, en leur adaptant un style susceptible de décrire une trace ondulée sur un cylindre tournant. Ces vibrations peuvent servir aussi à mesurer, d’une façon très simple, de petits intervalles de temps. Si, en effet, l’on fait vibrer un corps dont les vibrations ont une certaine fréquence, pendant que le cylindre tourne, et si ces vibrations s’inscrivent sur le cylindre, la courbe ainsi tracée donnera la mesure exacte du temps pris par une partie de la révolution, de sorte que le mouvement d’un corps quelconque peut être mis en comparaison avec le nombre d’oscillations marquées pendant le même temps par le corps vibrant25. »

Dispositif de Thomas Young. Cinémathèque française, Collection des appareils.

  • 26 Étienne-Jules Marey, La Méthode graphique, op. cit., p. 110.

27D’après Marey, « toute la chronographie est contenue en germe dans cette invention de Thomas Young26 ». C’était en effet une première ébauche expérimentale des instruments graphiques imaginés plus tard par les physiologistes allemands (le kymographion de Carl Ludwig, 1847), par Scott de Martinville (phonautographe, ancêtre du phonographe, 1854) et enfin des appareils enregistreurs de Marey et des linguistes phonéticiens français (abbé Rousselot, Vaïsse, Marichelle, etc.). L’application de ces instruments est à l’origine des premières rencontres sur le « terrain » – c’est-à-dire dans les laboratoires de recherche – entre le dispositif technique pour l’analyse des phénomènes sonore et celui adopté pour la visualisation du mouvement d’un objet dans l’espace.

Notes

1 John Tyndall, Le Son, op. cit., p. 1-2 (trad. de l’abbé Moigno).

2 Amédée Guillemin, Le Son : notions d’acoustique physique et musicale, Paris, Hachette, 1875, p. 7.

3 Étienne-Jules Marey, La Méthode graphique, op. cit., p. 109. Il faut signaler que l’anémographe de Louis Léon Pajot pouvait dès 1734 enregistrer sur papier la force et la direction du vent, avec un système chronographique encore très primitif (Laurent Mannoni, L’enregistrement du mouvement, thèse, op. cit., p. 26-34).

4 Thomas Young, « Observations on Vision : Philosophical Transactions », t. LXXXIII, p. 91, traduit in Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, Copenhague, Andr.-Fred. Höst, 1894, p. 64-72.

5 Id., « Sur le mécanisme de l’œil », Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 76.

6 Id., « A Bakerian Lecture on the Mechanism of the Eye », Philosophical Transactions, 1801, p. 23.

7 Sur ce sujet Young a publié « A Bakerian Lecture on the Theory of Light and Colours », Philosophical Transactions, Londres, 1802, p. 12 ; « An Account of some Cases of the Production of Colours », Philosophical Transactions, Londres, 1802, p. 387.

8 Les notes sur le daltonisme sont publiées dans le deuxième volume de A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts, Londres, 1807, p. 315.

9 Éloge par François Arago, in Thomas Young, Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 2.

10 M. Moitessier, La Lumière, Paris, Hachette, 1876, p. 240-280.

11 Ibid., p. 242.

12 Georges Mourier, Les Ondes en physique : de Pythagore à nos jours, vibrations, ondes, impulsions, Paris, Ellipses, 2002, p. 81. Comme le rappelle l’auteur de cet ouvrage, cent vingt-cinq ans plus tard, une expérience semblable faite avec un jet d’électrons au lieu d’un faisceau lumineux permit de démontrer (Davisson et Germer, 1927) l’existence des ondes associées à la matière prévues par de Broglie (1924). Très récemment (1997), on a pu mettre en évidence les interférences présentes dans des jets d’atomes.

13 Thomas Young, A Sybillabus of a Course of Lectures on Natural and Experimental Philosophy, 8 t., London, 1802 (contient la première publication sur la loi générale des interférences de la lumière) ; « A Bakerian Lecture on the Theory of Ligth and Colours », Philosophical Transactions, 1802, p. 12 (contient la deuxième publication dans laquelle il donne tous les détails et les règles de la loi sur les interférences de la lumière).

14 Cité par Charles Singer, Breve storia del pensiero scientifico, op. cit., p. 336.

15 Thomas Young, « Sur le mécanisme de l’œil », lu à la Société Royale, le 27 novembre 1800, in Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 77.

16 Thomas Young, Œuvres ophtalmologiques de Thomas Young, op. cit., p. 222.

17 M. Moitessier, La Lumière, op. cit., p. 243.

18 John Tyndall, Le Son, op. cit., p. 128.

19 Jean Langlebert, Physique, Paris, Delalain frères, 1883, chap. 29, p. 480-489.

20 Matière résineuse, sèche, transparente, jaune ou brune, qui est le résidu de la distillation de la térébenthine. La résine avec laquelle on frotte l’archet des violons, basses et autres instruments de la même famille (Littré, éd. 1994).

21 Ernest Chladni publie en 1802 l’ouvrage Die Akustik (Leipzig, Breitkopf & Hartel) dont il en assure la traduction française remaniée (dans cette version il met l’accent sur les phénomènes vibratoires, plutôt que sur les mathématiques) en 1809 : Traité d’acoustique, Paris, Courcier, 1809.

22 Cité par John Tyndall, Le Son, op. cit., p. 146-147.

23 R. Radau, L’Acoustique ou les Phénomènes du son, Paris, Hachette, 1867, p. 180-181.

24 Félix Savart, « d’abord chirurgien des armées, puis médecin praticien à Strasbourg, musicien assez habile, se prit, vers 1820, d’une belle passion pour l’acoustique. […] Il l’enseigne avec un très-grand succès de 1836 à 1842, dès qu’il eut succédé à Ampère dans la chaire de physique de ce même Collège de France » (abbé Moigno, « Préface du traducteur », in John Tyndall, Le Son, op. cit., p. VIII).

25 Thomas Young, A Course of Lectures on Natural Philosophy and Mechanical Arts, London, 1807, t. I, p. 191.

26 Étienne-Jules Marey, La Méthode graphique, op. cit., p. 110.

Table des illustrations

Légende Dessin de Thomas Young. Les ondes divergentes du centre A passent à travers l’ouverture BC se diffusant sur chaque côté, c’est-à-dire « fléchissant vers l’ombre » de manière à couvrir l’espace BCDE. D’après Ch. Singer, Breve storia del pensiero scientifico, Turin, Ernaudi, 1969.
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Légende Corde vibrante. D’après A. Guillemin, Le Son, Paris, Hachette, 1875.
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Légende Plaque vibrante d’après Chladni. D’après R. Radau, L’Acoustique, Paris, Hachette, 1870.
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Légende Dispositif de Thomas Young. Cinémathèque française, Collection des appareils.
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