Pour « visualiser » un signal électrique, on utilise généralement un oscilloscope, mais on peut également utiliser un analyseur de spectre qui se présente très souvent comme une carte d'acquisition de données associée à un logiciel, le tout étant intégré à un ordinateur.

Oscilloscope que nous utilisons dans notre laboratoire. L'écran, sur la gauche, comporte une grille dans laquelle on visualise le tracé correspondant au signal analysé. L'échelle verticale (réglable) correspond à l'amplitude du signal. L'échelle horizontale (réglable elle aussi) correspond au temps. Les réglages de l'oscilloscope déterminent la "valeur" de chaque division de la grille : Volts ou portions de Volts par division en verticale, secondes ou fractions de secondes en horizontale. La grille comporte dix divisions horizontales et huit verticales

Représentation d'un signal sinusoïdal simple (fréquence "pure") à l'oscilloscope. En haut : faible amplitude. En bas : forte amplitude (réglages de l'oscilloscope identiques pour les deux mesures).  L'analyseur de spectre que nous utilisons est intégré à un ordinateur PC. Il se compose d'une carte d'acquisition du signal et d'un logiciel spécifique pour la représentation à l'écran.

Sur un analyseur de spectre, la verticale représente l'amplitude du signal analysé. L'horizontale est graduée en Hz. Une fréquence simple est représentée par un trait vertical dont la hauteur est proportionnelle à l'amplitude. Selon la fréquence de ce signal, le trait se positionne vers la gauche, le centre, ou la droite de l'écran (fréquences basses vers la gauche, fréquences élevées vers la droite)

Représentation d'un signal sinusoïdal simple (fréquence "pure" de 440 Hz) sur l'analyseur de spectre. à gauche : faible amplitude. à droite : forte amplitude (réglages de l'analyseur identiques pour les deux  mesures).

Sons purs, sons complexes

Le son émis par le diapason est un son « pur ». Il n'est composé que d'une seule et unique fréquence : le 440 Hz. Dans la nature, il n'existe pratiquement pas de sons purs. Lorsqu'on analyse en détails un son quelconque, on constate qu'il est composé de plusieurs fréquences émises en même temps. Le physicien Joseph Fourier (1768 - 1830) fut le premier à comprendre qu'un son quelconque pouvait s'exprimer comme la combinaison de plusieurs fréquences pures émises en même temps. Prenons le cas du « La 3 » joué sur un instrument de musique. En observant, sur un analyseur de spectre, la structure du son qui est généré on constate, bien sûr, la présence d'une forte composante à 440 Hz, mais on remarque également un nombre important d'autres fréquences.

   F H2 H3 H4 HS H5 H5 H7 H8 H9 H10

Structure d'un son (signal complexe) observée avec un analyseur de spectre.

Le La 3 joué sur un instrument de musique génère de nombreuses fréquences (les Harmoniques) en complément du 440 Hz que l'on nomme Fondamentale. On remarque : 880 = 2 x 440, 1320 = 3 x 440, 1760 = 4 x 440, 2200 = S x 440, etc.

La fréquence de 440 Hz détermine la hauteur du son, donc la note que l'on joue sur l'instrument : elle se nomme « Fondamentale ». Lorsqu'on observe les autres fréquences qui composent le son, on remarque la présence d'une composante à 880 Hz, d'une composante à 1 320 Hz, d'une autre à 1 760 Hz, etc. Ces composantes, ou fréquences, générées par l'instrument sont toutes des multiples de 440 Hz (fondamentale). Soit F la fondamentale (440 Hz), on retrouve des composantes de 2 x F (880 Hz), 3 x F (1 320 Hz), 4 x F, 5 x F, etc. jusqu'à pratiquement l'infini pour certains sons. Ces fréquences, multiples de la fondamentale, sont appelées « Harmoniques ». Pour les noter, on utilise la lettre « H », comme harmonique, suivie d'un nombre qui représente le « rang » de l'harmonique. Par exemple, H2 qui se lit « Harmonique deux » (harmonique de rang « deux »), représente une fréquence de deux fois la fondamentale. H3 est l'harmonique trois, sa fréquence est le triple de la fondamentale, H4 est l'harmonique quatre dont la fréquence vaut quatre fois celle de la fondamentale, etc.

Jouer un "La 3" au piano ne produit pas le même effet que jouer un "La 3" sur un autre instrument. La note est identique, la hauteur tonale est la même, mais les sonorités sont différentes. Dans les deux cas, la Fondamentale est identique car nous jouons la même note. En observant les harmoniques, par contre, on remarque que leur amplitude et leur répartition est différente pour chaque instrument.

En se limitant à l'observation des quatre premiers harmoniques (pour simplifier les choses), on aura, par exemple, beaucoup de H2, peu de H3, beaucoup de H4, etc. avec un instrument donné. Par contre, on aura peu de H2, beaucoup de H3, pas de H4, etc. avec un autre instrument. Les harmoniques forment une structure bien déterminée, qui définit le timbre d'une voix ou d'un instrument. Cette structure "harmonique" est propre à chaque type de son.

   F    H2    H3   H4

La 3 (440 Hz) joué sur un instrument. La fondamentale est bien à 440 Hz. On relève sur le spectre beaucoup de H2, peu de H3, beaucoup de H4.

Même note (La 3 - 440 Hz) jouée sur un autre instrument. La Fondamentale est toujours à 440 Hz mais on obtient, cette fois-ci, peu de H2, beaucoup de H3 et pratiquement pas de H4. La répartition des Harmoniques est unique pour chaque instrument : leurs structures harmoniques sont différentes, leurs timbres sont différents.

Un son est toujours composé de plusieurs fréquences, avec une fondamentale et des harmoniques. Pour observer la structure d'un son, l'utilisation d'un analyseur de spectre est indispensable. Un son est un signal complexe, dont la forme observée sur un oscilloscope est pratiquement impossible à interpréter.