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D'où provient l'acoustique extraordinaire du théâtre antique grec ?

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Un théâtre antique filtre les basses fréquences du bruit de fond. L'acoustique extraordinaire qui fait la renommée du théâtre antique grec d'Épidaure provient peut-être des subtilités des lois physiques de l'acoustique. Le théâtre, qui fut découvert sous le sol de la péninsule du Péloponnèse en 1881, a la forme classique semi-circulaire des amphithéâtres grecs, avec 34 rangées de sièges en pierre (auxquelles les Romains y ont ajouté 21 rangées).

L'acoustique y est extraordinaire : un acteur situé sur la scène, en plein air, peut être entendu au dernier rang, à une distance de près de 60 mètres. Architectes et archéologues s'interrogent depuis longtemps sur les raisons de ce miracle acoustique.

Récemment, Nico Declercq et Cindy Dekeyser, du Georgia Institute of Technology, à Atlanta (USA) et à Metz (France), ont montré que la clé du mystère tient dans l'agencement des rangées de sièges. Ils ont calculé que cette succession périodique de marches est géométriquement idéale pour filtrer les basses fréquences, qui sont la composante la plus importante du bruit de fond qui masque ordinairement le son reçu loin de la scène, tout en préservant les hautes fréquences de la voix des acteurs ou des chanteurs.

© Nico Declercq

Selon Nico Declercq, il est difficile de savoir si cette propriété de l'acoustique du théâtre d'Épidaure est un résultat fortuit ou non. Mais il pense que les Grecs et les Romains ont su apprécier le résultat, et ils l'ont ensuite copié ailleurs.

Au premier siècle avant JC, le grand expert romain en architecture, Vitruve, laissait sous-entendre que ses prédécesseurs savaient très bien comment concevoir un théâtre pour la voix humaine. "Selon les règles des mathématiques et des méthodes de musique", il écrit, "ils ont su faire en sorte que les voix provenant de la scène parviennent plus distinctement et plus agréablement aux oreilles des spectateurs... en concevant des théâtres selon les lois de la science de l'harmonie, les anciens ont accrue la puissance sonore de la voix."

D'autres auteurs ont suggéré que l'acoustique remarquable du théâtre d'Épidaure, construit au 4ème siècle avant JC, est peut être due à la direction du vent (qui souvent porte le son de la scène au spectateur), ou bien à l'utilisation des masques par les acteurs sur scène qui auraient aidé le rayonnement sonore. Mais ceci n'explique pas pourquoi, lors d'une représentation actuelle dans le théâtre d'Épidaure, le son puisse être si bien perçu loin de la scène, même par un jour calme sans aucun vent.

Declercq et Dekeyser pensent que la réponse pourrait bien être dans les lois de la physique de la diffraction des ondes par des surfaces "en escalier". Il est établi depuis plusieurs années que ce type de surface peut en effet accentuer certaines fréquences et en atténuer d'autres, comme par exemple c'est le cas pour les ondulations microscopiques sur les ailes d'un papillon qui reflètent fortement certaines couleurs (longueur d'ondes de la lumière incidente sur les ailes).

Declercq a montré auparavant que les marches en escalier d'une pyramide maya au Mexique peuvent transformer le son d'un clappement de main en une musique qui ressemble étonnamment au chant émis par un oiseau local. Aujourd'hui, Declercq et Dekeyser ont calculé comment les gradins du théâtre d'Épidaure change la nature des ondes sonores qui se propagent de la scène aux auditeurs, et ils ont démontré que les fréquences inférieures à 500 Hz sont plus atténuées que les fréquences élevées.

"Le bruit de fond dans ce théâtre était sans doute surtout dominé par les basses fréquences, selon les chercheurs : le bruissement des arbres, ou le bruit de fond de l'audience elle-même. Éliminer ces basses fréquences améliore l'audibilité de la voix des artistes qui possèdent beaucoup de hautes fréquences. La fréquence de coupure est juste là où il faut pour éliminer le bruit de fond que l'on avait sans doute dans cet amphithéâtre à l'époque" explique Declercq.

Declercq note que la présence de spectateurs assis change cet effet, et ce d'une manière assez difficile à prévoir. En présence de spectateurs, les calculs seraient très difficiles car le corps humain n'est pas homogène et a une forme très compliquée.

Éliminer les basses fréquences fait que celles-ci sont moins audibles, qu'elles aient été générées soit dans la voix qui provient de la scène ou dans le bruit de fond. Mais ceci n'est pas un problème fondamental puisque le système auditif humain est capable de compenser ces basses fréquences manquantes dans le signal sonore reçu. Il y a un phénomène neurologique qui permet au cerveau humain de reconstruire une source sonore même s'il y manque des basses fréquences.

Bien que beaucoup de théâtres modernes fassent usage de haut-parleurs pour améliorer l'acoustique, Declercq affirme que l'idée de filtrage peut être quand même utile. "Dans certains cas, tels que pour les stades ou les théâtres en plein air, je pense que le juste choix de la périodicité des sièges et gradins peut avoir de l'importance".

Declercq, N. F., and Dekeyser, C.S.A.,J. Acoust. Soc. Am., in press (2007).

Nico Declercq est professeur au Georgia Institute of Technology ; basé à Metz, France, Georgia Tech's European Campus of Georgia Tech Lorraine.

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