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Introduction

Lorsqu’on cherche les textes qui traitent de la nature physique du son, on est confronté à une première difficulté, c’est la faible place qui lui est accordée par les savants, de l’antiquité à la période moderne. Cette étude est bien souvent annexée à des domaines plus généraux, sans approfondir l’explication de la production et de la propagation des sons. Il s’agit d’une part de l’étude de la perception, et d’autre part de la théorie de la musique. Alors l’étude du son intervient souvent en introduction, ou dans une partie consacrée à la voix et aux instruments. Les auteurs développent plus ou moins le sujet, et parfois l’abordent incidemment, lors de la description de phénomènes naturels comme le tonnerre ou l’écho.
La grande difficulté avec les textes scientifiques de l’Antiquité est qu’ils ne sont pratiquement jamais de source primaire. Et, comme le dit justement Jean-Paul Dumont dans sa préface des Présocratiques, traduction de l’ouvrage de Diels, à propos des textes qui nous sont parvenus : « le salut d’une oeuvre est toujours lié à un jugement de valeur ou d’intérêt ». Du temps de Platon et d’Aristote, les pythagoriciens étaient lus, parce que leurs textes étaient disponibles. Au début de notre ère, et plus encore au Moyen Âge, les seuls textes encore lisibles étaient ceux qui avaient été préservés, parfois sous forme de fragments, pour leur valeur selon la pensée du moment, c’est-à-dire le platonisme et l’aristotélisme. Ce n’est pas tant le contenu qui pose problème que la structure de la pensée scientifique qui est en cause. Le modèle de division et de classification des connaissances reste à peu près le même d’Aristote au XVIIème siècle, et il sera formalisé en trivium et quadrivium dès les premiers siècles. Or, dans ce système organisé de connaissances, l’étude physique des sons ne trouve pas sa place. On y trouve, largement, l’étude de la musique, envisagée comme une composante des mathématiques, dans un grand nombre d’ouvrages consacrés à l’harmonie. On peut également lire plusieurs traités des sensations ou de la perception, selon le modèle d’Aristote, qui font une place à l’ouïe, en général après l’étude de la vision, et avant celle de l’odorat. On trouve enfin quelques allusions aux sons lorsqu’on parle du tonnerre, des éclairs et de la foudre, un peu avant les tremblements de terre, et juste après l’étude de l’arc-en-ciel.
Il faut bien dire que les philosophes de la nature n’ont pas beaucoup brillé dans l’approfondissement de cette étude physique des sons, et pourtant ils en avaient toutes les possibilités. C’est ainsi qu’on ne trouve nulle part d’étude sur la vitesse de propagation du son, sauf quelques allusions sur le délai entre l’éclair et le tonnerre, ou encore sur l’écho. De même, alors que la nature vibratoire du mouvement des corps sonores est établie, on n’a aucune étude de ce type de mouvement, alors qu’il est observable et reproductible, même lorsqu’il n’est pas sonore comme le mouvement du pendule. On est capable d’échafauder des hypothèses d’une grande complexité pour le mouvement des astres, mais pas d’observer le déphasage de deux mouvements périodiques, ou simplement de compter les occurrences des ‘pulsations’. Il est clair que le carcan de l’organisation immuable des connaissances fait obstacle à toute excursion en dehors des sujets imposés. Cependant nos savants tentent de décrire quelques aspects de la nature physique des sons, en particulier leur production, le grave et l’aigu, le mécanisme de la perception auditive, et les rapports entre le son et son milieu de propagation. Les terrains d’exploration sont principalement la voix, surtout chez les présocratiques, les instruments de musique à cordes et vent, et quelques phénomènes naturels. La première exploration est la hauteur des sons, et sa mesure selon des échelles qu’on va inventer et complexifier peu à peu, tant son approche non linéaire est délicate. Puis, lorsqu’on pressent que le son est associé à un mouvement, mais sans savoir bien ce qui est mu, les philosophes s’intéressent à la matérialité du son. De même, la grande perplexité provoquée par la conservation des timbres sonores qui permet la transmission et le chevauchement de conversations à distance, stimule les esprits qui envisagent des images de sons, analogues aux images visuelles, et formées de ‘grains de matière’. Enfin, la propagation du son est modélisée, on la suppose semblable à celle des ronds dans l’eau, après qu’on y a jeté une pierre. Cette dernière approche sera féconde et nous mènera doucement à la notion d’onde, prémisse du processus de vibration.
Néanmoins, de l’Antiquité au Moyen Âge, quelques intuitions se dégagent ici ou là, et le terrain semble préparé pour la grande entreprise d’observations et d’expérimentions qui sera féconde à l’époque moderne.

Le son est sensation

Si l’on en croit les paléontologues et les anthropologues, l’audition chez l’être vivant remplit deux fonctions. L’une est liée à la protection, par l’alerte de phénomènes extérieurs potentiellement dangereux qui émettent des sons, l’autre, plus évoluée, à la communication, pas forcément structurée. Le son est d’abord un bruit, dans lequel l’intensité et la durée jouent un rôle plus important que la fréquence ou le timbre. Il semble que les premiers hommes aient pu construire leur langage par imitation de certains animaux. Les premières tentatives de création musicale ont sans doute eu pour origine l’imitation du chant des oiseaux, d’abord par la voix, ensuite au moyen des premiers instruments, en particulier à vent (cornes). Les découvertes paléontologiques nous enseignent que des hommes, il y a environ 20 000 ans, faisaient usage de flûtes et d’instruments à percussion divers.
On a peu de traces des préoccupations de la physiologie de l’audition dans les civilisations anciennes.
Pourtant chez les Egyptiens, on attribuait à l’oreille un rôle qui dépassait sa fonction essentielle :
Le souffle de la vie entre dans l’oreille droite, le souffle de la mort entre dans l’oreille gauche1
Dans quelques papyrus Egyptiens concernant la médecine, on trouve des conseils d’hygiène de l’oreille ou plus rarement du traitement de la surdité ou de l’otite.
En Mésopotamie, on trouve également des traités de médecine akkadiens (environ 2200 av. J.-C.), qui prodiguent des conseils en cas d’écoulement des oreilles, ou d’apparition de bourdonnements ou de sifflements, qu’on attribuait généralement à la manifestation d’un démon, le Spectre.
Parmi les premiers textes qui forment le socle de la culture occidentale, on trouve, dans l’Illiade et l’Odyssée, de nombreuses descriptions de l’univers sonore du temps d’Homère (IXème siècle av. J.-C.), selon Charles Mugler2 :
Les voix se distinguent par l’intensité du son (Illiade, V, 786; Odyssée, XIV, 492, etc.), par la hauteur (Illiade, II, 222; XVIII, 70; Odyssée, XII, 183), et par le timbre (Illiade, I, 604; Odyssée, V, 61; XII, 187). Les scènes de combat et de naufrage lui fournissent les occasions de décrire les conditions physiques de la naissance des sons: le choc d’armes métalliques, les vibrations de la corde de l’arc, le vol strident des flèches, le passage du vent et des courants d’air par les défilés. La construction des instruments de musique mentionnés par Homère, et connus en grande partie des civilisations du Proche-Orient, s’inspire de ces observations sur la production des sons. Le son est présenté comme une réalité qui se meut à travers l’espace (Illiade, X, 137; Odyssée, XVII, 261), et comme une force capable d’ébranler des obstacles et de « frapper » les oreilles (Illiade, X, 535; Odyssée, XVI, 373). Le poète connaît les phénomènes de l’écho (Illiade, XVII, 263; Odyssée, XII, 240) et de la résonance (Illiade, II, 333).
Aux débuts de l’Histoire de la science occidentale, les présocratiques, en particulier les pythagoriciens, ne s’intéressent aux sons que sous l’approche mathématique de l’échelle musicale, par l’étude des intervalles. Nous n’avons de cette période que des sources secondaires, et, à part quelques fragments de Lasos ou d’Archytas (Vème siècle av. J.-C.), nous ne disposons pas de textes sur la nature physique des sons.
L’absence de textes qui nous sont parvenus des présocratiques est compensée, concernant l’étude de la perception et des sensations, par le traité de Théophraste, disciple et successeur d’Aristote vers le IIIème siècle av. J.-C., De sensu, où l’on trouve un exposé des théories de la sensation et en particulier de l’audition, chez de nombreux philosophes antérieurs (Vème siècle av. J.-C.) comme Empédocle, Alcméon, Anaxagore, Clidème, Diogène et Démocrite.
Philosophe avant tout inspiré par les mathématiques, Platon (IVème siècle av. J.-C.) a peu traité du son sous sa nature physique. Il nous a laissé quelques lignes sur la sensation auditive dans le Timée.
Véritable inspirateur de la science du Moyen Âge, Aristote (IVème siècle av. J.-C.) paraît incontournable lorsqu’on tente de faire une Histoire des théories des phénomènes naturels. Dans les textes d’Aristote qui nous sont parvenus, soit directement en version grecque, soit par l’intermédiaire des savants arabes, soit encore dans les nombreux textes d’inspiration aristotélicienne mais dont les auteurs sont de nos jours qualifiés de Pseudo-Aristote, on traite peu le son. L’essentiel tient dans le chapitre 8 du second livre du traité De
Papyrus Ebers, n°854, 1875, sans doute de la XVIIIème dynastie, environ 1500 av. J.-C.
Charles Mugler, La science hellène, Homère, in René Taton, Histoire générale des sciences, La science antique et médiévale, t 1, Paris, Puf, 1957, p 209.
l’âme, ainsi que dans deux traités qui lui ont longtemps été attribués mais qui sont l’œuvre de ses successeurs, les Problemata, et un De audibilibus consacré, en une dizaine de pages, à l’étude physique des sons.
Jusqu’à la fin de la Renaissance l’étude de la sensation auditive est très largement inspirée par ce chapitre du Traité de l’âme. Dans l’Encyclopédie on trouve encore, concernant l’ouïe, des descriptions de l’oreille qui font appel à la théorie aristotélicienne. La littérature médicale de l’antiquité s’intéresse peu à la physiologie de l’oreille.
Les présocratiques
Il existait une science de la nature avant Platon et Aristote, et bien que les traces qui nous restent, au sujet de l’ouïe, proviennent essentiellement de Théophraste, elles nous renseignent sur les approches qu’avaient les présocratiques de la perception sonore.
Dans le De sensu, Théophraste se livre à une étude historique des théories sur les sensations qui sont développées chez les philosophes qui ont précédé Platon. Il les regroupe, de ce point de vue, en deux tendances. D’une part ceux qui pensent que les sensations sont produites par le semblable, Parménide, Empédocle, et également Platon3.
Les raisons invoquées sont, d’une part, que, d’ordinaire, les choses se contemplent d’après leur similitude ; qu’il est en particulier inné à tous les êtres vivants de reconnaître ceux de leur espèce ; qu’enfin les corps sentis le sont grâce à leurs effluves et que le semblable se porte vers le semblable.
Les autres soutiennent que les sensations sont produites par les contraires, et que le semblable n’agit pas sur le semblable mais sur le contraire. Parmi eux, on trouve Héraclite et Anaxagore.
Empédocle
Empédocle envisage la sensation comme une circulation d’effluves émises par les matières, qui viennent s’introduire dans les pores des organes sensoriels des êtres vivants. La parfaite adaptation, l’harmonie, entre ces effluves et les pores dont les dimensions sont adaptées, permet la discrimination entre les différentes sensations et les organes appropriés. Si les pores sont trop grands, ou trop petits, les effluves n’y pénètrent pas, et c’est ce qui permet aux oreilles d’entendre et aux yeux de voir. C’est ce qui explique également les altérations des sens, provoquées par un rétrécissement accidentel des pores. Pour la vue, les yeux sont composés d’eau et de feu, et c’est l’équilibre variable entre ces deux éléments qui prédispose la vision de jour ou de nuit, ainsi que le blanc et le noir. Concernant l’audition, le phénomène n’est pas clair. Voici, dans l’extrait de l’Histoire de la Science Hellène de Paul Tannery, le passage du De sensu de Théophraste concernant l’audition chez Empédocle4 :
L’audition, d’après lui, est produite par les bruits du dehors qui mettent l’ouïe en mouvement et provoquent une résonance interne; car il y aurait comme un grelot battant en dedans et qu’il appelle ‘os charnu’; l’air en mouvement frappe dessus et le fait résonner.
L’édition de Tannery provient de la traduction de Diels5. Empédocle fait sans doute allusion au tympan et aux osselets qui composent l’oreille moyenne, qu’on avait observés au cours de dissections. Le mécanisme de la sensation repose sur une symétrie entre les effluves venant de l’extérieur et une capacité à ‘répondre’qui vient de l’organe. Pour l’audition, Empédocle suggère que l’organe de l’ouïe résonne en ‘harmonie’avec le son perçu. C’est la fonction du ‘grelot’ (Dumont traduit par ‘cloche’) qui entre en résonance avec le son externe. Théophraste critique cette théorie de la sensation par ‘le semblable vers le semblable’ et l’harmonie qui devrait s’en dégager. En particulier pour l’audition, Théophraste relève avec justesse qu’Empédocle repousse le problème sans le résoudre6:
Quant à l’ouïe, quand il l’explique par des bruits internes, il est étrange qu’il croie le faire clairement, en imaginant ce bruit du dedans analogue à celui d’un grelot. Si c’est par ce grelot que nous entendons les bruits du dehors, comment entendons-nous sa résonance ?
Nous découvrons néanmoins ici, parallèlement aux travaux d’inspiration mathématiques des pythagoriciens sur le son envisagé uniquement d’un point de vue musical, une approche plus physiologique,

Table des matière

Avant-propos
1ère partie
les origines – entre observation et dogme
Introduction
1 – Le son est sensation
Les présocratiques
Empédocle
Anaxagore, Clidème, Diogène
Archytas
Lasos d’Hermione
Platon et Aristote
Platon
Aristote
Les atomistes : Démocrite, Epicure, Lucrèce
La tradition aristotélicienne au Moyen Âge
2 – Le son est nombre
La légende des marteaux de Pythagore : première représentation des intervalles musicaux par des nombres
La version académique : Boèce
Le texte fondateur : Nicomaque de Gérase
Les trois expériences décrites par Nicomaque
Les autres textes
Un contradicteur de Pythagore : Vincenzo Galilei
L’analyse des expériences
Les nombres de Pythagore
La première expérience : les poids sonnants
La deuxième expérience : les poids tenseurs
La troisième expérience : le monocorde
Les savants et les musiciens
Conclusion
Intermède – Variation sur les marteaux de Pythagore
3 – Le son est choc
Le bruit
Archytas
Aristote, le chapitre 8 du livre II du Traité de l’Ame
Les péripatéticiens : les Problemata et le De audibilibus
Les chocs sur l’air dans les instruments à vent et dans la voix
Les chocs sonores dans les textes de l’Antiquité tardive et du Moyen Âge
Le modèle ‘percussif’ de la propagation des sons
4 – Le son est mouvement
Le mouvement du son chez les Anciens
Archytas
Platon
Aristote
Aristoxène
Les péripatéticiens
Les Problemata du Pseudo Aristote
La division du canon attribuée à Euclide
Le mouvement du son après Aristote
Le De generatione sonorum de Robert Grosseteste
Conclusion : les mouvements associés au son
5 – Les sons sont des corpuscules ou des ondes
Les atomistes
Démocrite et les débuts de l’atomisme
Epicure
Lucrèce
Les stoïciens et l’ébauche de la théorie des ondes
6 – L’explication des phénomènes sonores de l’Antiquité Romaine au Moyen Âge
Le mythe de l’Harmonie des Sphères
Les phénomènes sonores ‘paranormaux’
La statue de Memnon
Des solutions à quelques problèmes acoustiques
La propagation du son le jour et la nuit
Le son du dehors et le son de l’intérieur
L’acoustique architecturale
Vitruve et l’acoustique des lieux scéniques
Le retard du son sur la vision
L’écho
Conclusion – L’état de la connaissance du son vers la Renaissance
2ème partie
La physique des sons : Une science nouvelle
Introduction
Les propriétés du son et leur observation
Les trois modélisations de la propagation des sons
1 – L’essence du son
La physique des sons chez les Scolastiques
Le mouvement de la masse d’air « unus et continuus »
Les chocs successifs de parties d’air contiguës
La physique des sons chez les arabes au Xème siècle
Al-Farabi
Avicenne, Ibn Sina
Le son dans le commentaire au De anima d’Averroès
La physique des sons à la fin de la Renaissance
La physique des sons chez Suarez, Jésuite de tradition scolastique
L’approche des Franciscains
La physique mondaine de Scipion Dupleix
De l’« Ecole », faisons table rase…
Benedetti, un pionnier de l’opposition à Aristote
Francis Bacon, de « Historia soni et auditus » à « Sylva sylvarum »
Mersenne, un harmonisateur universel
2 – Le temps du son : l’écho
Les deux approches de l’écho chez les Scolastiques
Aristote et l’écho dans le traité de l’âme
La position médiane d’Alexandre d’Aphrodise
L’écho dans le Commentaire au Traité de l’âme d’Averroes
Le commentaire de Thomas d’Aquin
L’écho vu par un jésuite de la seconde tradition scolastique, Francisco Suarez
Résumé des théories scolastiques de l’écho
L’approche expérimentale de l’écho aux débuts de la Science Moderne
Les observations de Francis Bacon
La physique simple de Scipion Dupleix
Giuseppe Biancani dans Echometria, idest Geometrica tractatio de Echo
Mersenne et l’écho efficace
La phonocamptique de Kircher
Atomistes et cartésiens, la réflexion des corpuscules
Cartésiens sans Descartes
Les corps qui retiennent le son : Otto Von Guericke
L’écho produit par une cavité : Hautefeuille
3 – Le temps du son : la vitesse du son
Francis Bacon : le flambeau et la cloche
Mersenne : la durée et la distance d’une syllabe
Gassendi : la vitesse du son indépendante de la hauteur
Le canon de l’Academia del Cimento
Kircher : « Semper diversam soni celeritatem invenimus »
Les expériences de mesure à la Royal Society
Huygens chez les Perrault à Viry
Les mesures académiques parisiennes : Picard, Cassini, Roemer
Les observations sur le son de Joshua Walker
L’article de Derham, une synthèse des travaux du XVIIème siècle
Newton et le son
La détermination de la vitesse du son par le calcul, selon Newton
Le jeune Euler et la vitesse du son : une mystification ?
La mission de l’Académie des Sciences : Cassini 1738
La vitesse du son dans l’Encyclopédie
4 – La matière du son
Le son est de nature corporelle
Francis Bacon
Descartes
Mersenne
Intermède – Galilée et la trace des vibrations
La physique des sons, une préoccupation tardive chez Galilée
Des oscillations du pendule aux cordes vibrantes
Observer les vibrations : expériences dans un verre d’eau
Mesurer la hauteur du son en comptant les vibrations
Représenter les vibrations pour pouvoir les compter
Galilée et le ‘nombre de vibrations dans le même temps’
L’expérience de Galilée d’enregistrement des sons
Récit de l’expérience d’enregistrement des vibrations
Analyse de l’expérience des traces du son
Les intuitions de Galilée, source d’erreurs et d’innovation
L’expérience de Galilée comme vérification de son hypothèse
L’apport de Galilée à la représentation des vibrations acoustiques
Reproduction de l’expérience ‘pré-phonographique’ de Galilée
Vérification des observations de Galilée
Images des traces de son laissées sur la plaque de cuivre
Analyse à l’aide du logiciel d’analyse spectrale
Analyse des courbes obtenues
Analyse des changements de fréquence brusques à la quinte
Conclusions de la reproduction de l’expérience
5 – Le son est corpuscule
Isaac Beeckman
Gassendi : la réhabilitation de l’atomisme d’Epicure
La physique des sons de Gassendi
La vitesse du son et la ‘fréquence’
Autres questions relatives aux sons
6 – Sons et rayons de lumière
L’analogie son et lumière au début du XVIIème siècle
Beeckman
Mersenne
Francis Bacon
La physique des sons de Mersenne à Huygens
Les Jésuites et les ‘rayons sonores’
La réflexion des ‘rayons sonores’
Biancani (1566-1624) : les miroirs sonores
Bettini (1582-1657) : la focalisation des sons
Athanasius Kircher (1602-1680) : les rayons sonores
Les Jésuites devenus Hommes de Science après 1660
Francesco Maria Grimaldi (1618-1663)
Honoré Fabri (1607-1688)
Lana Terzi (1631-1687)
Les savants jésuites après Kircher : des ondes de son et de lumière
L’analogie son et lumière à l’époque de Newton
Narcissus Marsh : le microphone et le polyphone
Huygens : le son dans le Traité de la lumière
Newton et la propagation d’un mouvement de pression
L’analogie curieuse de Newton entre les couleurs et les tons
Conclusion
Les ronds dans l’eau
Introduction
Les origines de l’analogie des ronds dans l’eau
Les Stoïciens
Vitruve : Le livre V du De architectura
Averroès : Le commentaire du De Anima
Les Scolastiques
Pertinence – ou non – de l’analogie des ronds dans l’eau
L’analogie des ronds dans l’eau au XVIIème siècle
Le silence de Francis Bacon dans Sylva sylvarum
Les réserves de Mersenne dans l’Harmonie universelle
La curieuse adhésion de Gassendi au modèle
Galilée : l’expérience des ondes dans un verre d’eau
Vers la théorie des ondes sonores : les jésuites Grimaldi, Pardies, Ango
Grimaldi
Gaston Pardies et Pierre Ango
La propagation du son à l’Académie Royale des Sciences
Claude Perrault et le bruit
Huygens et les ondes
Newton et le tube en U
De la Hire : une expérience approximative corrigée par Dortous de Mairan
Ondes, ondulations, oscillations et vibrations dans l’Encyclopédie
Conclusion : une métaphore bien pauvre mais qui se révèle enrichissante
Intermède – Les textes sur le porte-voix
Introduction
Présentation du porte-voix
Présentation des textes sur le porte-voix
Les théories de l’amplification des sons dans les porte-voix
Kircher et la Phonocamptique
Samuel Morland
Jean-Baptiste Denis
Laurent Cassegrain
La réponse de Kircher
Christiaan Huygens
Claude Perrault
John Conyers
Narcissus Marsh (1638-1715)
Isaac Newton
Johann Christoph Sturm (1635-1703)
Willem Jacob s’Gravesande
Les Encyclopédistes
Jean-Henri Lambert
Conclusion provisoire
8 – Le son et l’air
L’écho dans un air élastique
Claude Perrault et son ‘agitation de l’air
Huygens et les ondes
Newton et les vibrations dans les milieux
La propagation du son dans l’air condensé
L’air et le son dans l’Encyclopédie
Un air bien silencieux
La physique du son et quelques physiciens
Conclusion
9 – Synthèse

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