Deux sources sur le même son ont la même fondamentale, donc la même hauteur. Ce qui diffère est le timbre : quelles harmoniques résonnent fortement et lesquelles à peine. Les harmoniques sont des multiples entiers de la fondamentale qui résonnent en même temps, et ensemble elles forment une seule onde. Ce mélange fixe la couleur propre du son.
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Je chante deux voyelles exactement à la même hauteur et aussi fort, et pourtant vous entendez tout de suite qu'il s'agit de deux choses différentes. Où se trouve cette différence ? Pas dans la hauteur, puisqu'elle est identique.
Vous voyez d'abord de quoi dépend le son le plus grave d'une corde qui vibre : de la longueur, de l'épaisseur et de la tension, et pour un instrument dans lequel on souffle, de la longueur de la colonne d'air. Ce son le plus grave est la fondamentale. Mais une corde ne vibre pas seulement à sa fondamentale : elle vibre en même temps à des multiples entiers de celle-ci, et ce sont les harmoniques. Avec une fondamentale de deux cents vibrations par seconde, quatre cents, six cents et huit cents résonnent aussi, plus faiblement que la fondamentale. Toutes ces vibrations s'additionnent en une seule onde, et c'est pourquoi vous n'entendez qu'un seul son. Quelles harmoniques résonnent fortement et lesquelles à peine, voilà le timbre, et c'est là que se trouve la différence.
Note pour les lecteurs habitués aux programmes anglo-saxons : ce que nous appelons la première harmonique apparaît sur une épreuve d'examen comme la deuxième harmonique.
Pour la physique au lycée, dans le chapitre sur le son. À mi-parcours il y a une question et un silence : mettez en pause et réfléchissez-y d'abord vous-même.
Dans cette vidéo
L'explication complète, par écrit
Le problème
0:01Même hauteur. Même force. Et pourtant tu entends aussitôt que ce sont deux choses différentes.
De quoi dépend le son le plus grave
0:13Commençons par le début. Frappe une corde tendue : elle vibre. La note que tu entends alors correspond à la plus basse fréquence à laquelle cette corde peut vibrer, et on l'appelle le fondamental. Ce dont il dépend se voit en trois étapes. Raccourcis la corde : le fondamental monte.
0:31Prends une corde plus fine : il monte. Tends-la davantage : il monte encore. Dans un instrument où tu souffles, c'est pareil, mais dans l'air lui-même. Là c'est la longueur de la colonne d'air qui fixe le fondamental : plus la colonne est longue, plus la note est grave.
0:53D'où le changement quand tu ouvres ou fermes des trous : tu raccourcis ou allonges cette colonne d'air. Voici deux cordes tendues. Même longueur, même épaisseur, mais celle du haut est plus tendue. Laquelle donne la note la plus aiguë ?
Ce qui résonne en plus
1:15Et voici ce que presque personne n'attend. Cette corde ne vibre pas que sur son fondamental. Elle vibre en même temps sur des fréquences qui en sont des multiples entiers, et ce sont les harmoniques. Prends un fondamental de deux cents vibrations par seconde.
1:33La même corde vibre au même instant sur quatre cents, et sur six cents, et sur huit cents. Deux fois, trois fois, quatre fois le fondamental. Note bien : en même temps. Ce ne sont pas des notes qui se suivent, ni des notes que tu entends séparément.
1:50Elles sont toutes là au même instant. Et elles sont plus faibles que le fondamental : les amplitudes des harmoniques sont plus petites.
Pourquoi vous n'en entendez qu'un
2:00Si ces quatre vibrations sont là ensemble, pourquoi n'en entends-tu qu'une ? Parce qu'elles s'additionnent. À tout instant tu additionnes les élongations du fondamental et de toutes les harmoniques, et il reste une seule onde. Une onde irrégulière, très différente de ces ondes nettes et séparées.
2:22C'est le son composé. Ton oreille reçoit cette onde unique. Tu entends donc une seule note, à la hauteur du fondamental. Tu n'entends pas les harmoniques séparément. Tu les entends dans le caractère du son.
La couleur propre du son
2:39Et revenons au début. Qu'est-ce qui fait la différence entre ces deux sons ? Les harmoniques ne sont pas toutes amplifiées pareil. Cela dépend de ce que la vibration traverse : la matière, la forme, le volume de l'espace autour. Certaines ressortent amplifiées, d'autres à peine.
3:01Lesquelles sont fortes et lesquelles faibles, voilà ce qui fait le son propre. C'est ce qu'on appelle le timbre. Pour "a" et "ou" je change seulement la forme de ma bouche. La vibration de mes cordes vocales ne change pas, donc le fondamental reste identique.
3:18Mais la forme de l'espace au-dessus change, et donc quelles harmoniques sont amplifiées. Même fondamental, autre mélange, autre son.
Une octave n'est pas une harmonique
3:30Il reste un mot dont tu as besoin, et on le confond souvent avec une harmonique. Si tu doubles la fréquence d'une note, tu retrouves la même note, mais plus aiguë. Tu dis alors qu'elle est une octave plus haut. De deux cents à quatre cents, c'est donc une octave.
3:50Et c'est là qu'on confond. Quatre cents est aussi la première harmonique supérieure du fondamental de deux cents. Pourtant ce sont deux choses très différentes. Une octave est un écart entre deux notes que tu joues l'une après l'autre. Une harmonique sonne dans la même note, au même instant, sans que tu fasses rien.
4:12Séparément, ou ensemble. Voilà la différence. Trois choses à retenir. Un : le fondamental est la plus grave d'une corde ou d'une colonne d'air, et il dépend de la longueur, et pour une corde aussi de l'épaisseur et de la tension. Plus court, plus fin, plus tendu : les trois montent.
4:32Deux : avec le fondamental sonnent les harmoniques, sur des multiples entiers et avec de plus petites amplitudes. Additionnées, elles font un seul son composé. Trois : quelles harmoniques sont fortes ou faibles, c'est le timbre. D'où deux sources qui jouent la même note et sonnent autrement.
4:54Deux questions. Première : un fondamental de cent cinquante vibrations par seconde. Quelles sont les deux premières harmoniques ? Deuxième : deux sources jouent la même note, aussi fort, et tu entends la différence aussitôt. Qu'est-ce qui diffère alors ?
5:13La première : les harmoniques sont des multiples entiers, donc deux fois cent cinquante font trois cents, et trois fois cent cinquante font quatre cent cinquante. Si tu trouves trois cents et six cents, tu as doublé à chaque fois au lieu d'ajouter le fondamental chaque fois.
5:32Et la seconde : le timbre. Le fondamental est le même, car la hauteur est la même. Ce qui diffère, c'est quelles harmoniques sonnent fort et lesquelles à peine. Tu sais maintenant de quoi dépend le fondamental, que des harmoniques sonnent par-dessus, et que leur mélange fait le son propre.
5:53Comment calculer la note que donne un tuyau d'une longueur donnée, c'est une autre vidéo sur la chaîne.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une harmonique et une octave ?
Une octave est un écart entre deux sons que vous jouez l'un après l'autre : un doublement de la fréquence. Une harmonique résonne à l'intérieur du même son, au même instant, sans que vous fassiez quoi que ce soit. Quatre cents est à la fois une octave au-dessus de deux cents et sa première harmonique, et c'est de là que vient la confusion.
Quelles sont les deux premières harmoniques d'une fondamentale de 150 hertz ?
Trois cents et quatre cent cinquante. Les harmoniques sont des multiples entiers, donc deux fois et trois fois la fondamentale. Si vous obtenez trois cents et six cents, vous avez doublé à chaque fois au lieu d'ajouter la fondamentale à chaque fois.
Pourquoi n'entend-on pas les harmoniques comme des sons séparés ?
Parce qu'à chaque instant leurs élongations s'ajoutent à celle de la fondamentale, si bien que votre oreille reçoit une seule onde. Vous entendez un seul son, à la hauteur de la fondamentale, et vous entendez les harmoniques dans le caractère du son.
De quoi dépend la fondamentale d'une corde ?
De la longueur, de l'épaisseur et de la tension. Plus courte, plus fine et plus tendue donnent chaque fois une fondamentale plus aiguë. Pour un instrument dans lequel on souffle, c'est la longueur de la colonne d'air qui vibre, et c'est pourquoi ouvrir et fermer des trous change le son.
Pourquoi deux instruments jouant la même note sonnent-ils différemment ?
Parce que toutes les harmoniques ne sont pas amplifiées aussi fortement. Cela dépend du matériau, de la forme et de la taille de l'espace autour de la vibration. Quelles harmoniques ressortent fortement et lesquelles à peine, voilà le timbre.
Les harmoniques, vous ne les entendez pas comme des sons séparés. Vous les entendez dans le caractère du son.
Physics with Thomas fait des explications de physique pour le secondaire. Aucun mot à l'écran, donc ce que vous voyez fonctionne dans toutes les langues.
Dans cette série
Le son et les vibrationsce que vous entendez n'est pas son air6:53
Fréquence, amplitude et hauteurplus fort n'est pas plus aigu5:57
Résonance et vibration par sympathiec'est le rythme, pas la force6:17
Fondamentale, harmoniques et timbremême son, autre couleur6:06
Le son d'une colonne d'airf = v divisée par 4L3:15
À propos de moi
Je m'appelle Thomas Schuurmans, et j'ai une passion pour la physique et pour comprendre pourquoi les choses fonctionnent comme elles fonctionnent. Ce que je veux, c'est amener les jeunes à demander plus souvent « pourquoi ? » et « comment ça marche ? », et leur donner les outils de la physique d'une manière simple et visible.
J'ai obtenu mon diplôme de physique appliquée à l'université de technologie de Delft en 2003. Ensuite j'ai passé plus de vingt ans hors de l'enseignement : d'abord à TNO, l'institut néerlandais de recherche appliquée, puis dans une agence de design, et enfin en fondant Proportion Global, avec qui je travaille sur des questions d'innovation en Afrique, en Amérique latine et en Asie du Sud. Ce travail ressemble à la physique plus qu'on ne le croit : ne pas partir d'une solution, mais comprendre d'abord ce qui se passe, essayer, se tromper, et regarder à nouveau.
Depuis 2026 j'enseigne la physique au collège et au lycée, et j'ai commencé un master à l'université d'Amsterdam pour obtenir mon habilitation complète. C'est là que j'ai appris que l'attention réelle d'un élève pour une matière nouvelle dure environ sept minutes. Et mon défaut, justement, c'est de raconter trop d'histoires à côté du sujet.
De là est née l'idée : des vidéos qui expliquent un seul sujet, de façon nette et visuelle, dans ces sept minutes. Je les fais pour mes propres élèves. Ensuite je les publie, parce qu'une bonne explication devrait être à portée de tous ceux qui en ont besoin, où que vous viviez et quelle que soit la langue dans laquelle vous pensez et parlez.