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https://doi.org/10.1063/PT.3.4865
Pour le solstice d'hiver, les foules se rassemblent généralement à Stonehenge pour regarder le soleil se coucher entre les montants du plus haut trilithon. Cette pratique existe depuis que nos ancêtres ont érigé les pierres de sarsen vers 2500 av. Mais Stonehenge ne se résume pas à l'observation de l'alignement des pierres sur le lever et le coucher du soleil au solstice. Lorsque les gens se rassemblent pour des rituels, ils parlent et font de la musique, des sons qui sont amplifiés et modifiés par les reflets des pierres. Pour bien comprendre Stonehenge, les visiteurs doivent regarder au-delà de son apparence, y compris les artefacts archéologiques déterrés sur le site, pour quantifier comment l'acoustique du monument a modifié ses sons et comment la géométrie préhistorique des pierres a pu influencer ce qui s'y passait.
Le lever et le coucher du soleil au solstice peuvent encore être vécus sur le site. Bien qu'il soit possible de se faire une idée de l'échelle et d'être impressionné par la stupéfiante prouesse de la construction, l'écoute de la structure actuelle donne une impression trompeuse de ce que nos ancêtres entendaient à la fin de la période néolithique et au début de l'âge du bronze. On pense aujourd'hui que vers 2200 avant J.-C., le monument comptait 157 pierres. C'est à peu près le double du nombre de pierres et de fragments qui restent sur la ruine moderne, et beaucoup d'entre eux sont aujourd'hui déplacés ou tombés.
J'ai commencé à m'intéresser aux sites anciens tels que Stonehenge lorsque j'ai écrit sur les sons du passé pour mon livre Sonic Wonderland, paru en 2014. En faisant des recherches sur le sujet, j'ai réalisé que personne n'avait étudié les cercles de pierres préhistoriques à l'aide de maquettes acoustiques. Cette prise de conscience m'a incité à construire un tel modèle à l'échelle 1:12, comme on peut le voir sur la photo. Avec mes collaborateurs, l'acousticien Bruno Fazenda (Université de Salford) et l'archéologue Susan Greaney (English Heritage), nous voulions répondre à deux questions : comment le son est-il modifié par les pierres ? et qu'est-ce que cela révèle sur l'endroit où les rituels ont pu se dérouler dans la structure ?
Réalisation de la maquette
La construction d'un modèle réduit est un défi majeur, mais la méthode permet une simulation plus précise de la diffraction que les modèles informatiques actuels. Pour les grands espaces, les techniques de modélisation informatique sont généralement basées sur le traçage des rayons. Elles ne sont physiquement précises que pour les hautes fréquences, pour lesquelles la longueur d'onde est plus petite que les dimensions des surfaces réfléchissantes. La gamme de fréquences pertinente pour la parole et la musique s'étend de 100 Hz (longueur d'onde de 3,4 m) à 5000 Hz (longueur d'onde de 7 cm). La pierre la plus étroite ayant une largeur de 40 cm et la plus haute une hauteur de 6,3 m, les modèles géométriques sur ordinateur sont problématiques pour une grande partie de cette bande de fréquences. Il est possible de résoudre l'équation des ondes pour modéliser la diffraction et obtenir des résultats plus précis que les méthodes de traçage de rayons, mais les calculs prendraient trop de temps.
La modélisation acoustique est utilisée en acoustique architecturale depuis les années 1930. Aujourd'hui encore, les consultants en acoustique réalisent des modèles physiques lorsqu'ils conçoivent les auditoriums les plus prestigieux. La technique est séduisante car elle permet de rendre compte des effets d'ondes, tels que les interférences et les réflexions complexes sur les pierres. Mais pour que l'approche fonctionne, il est nécessaire d'utiliser une longueur d'onde plus petite. Dans notre modèle de Stonehenge à l'échelle 1:12, nous avons utilisé des ondes sonores à 12 fois leur fréquence normale, car cela permet de préserver la taille relative de la longueur d'onde du son et les dimensions de la pierre.
Les gens s'interrogent souvent sur les matériaux utilisés dans notre maquette. Pourquoi les pierres ne sont-elles pas posées sur de l'herbe, par exemple ?
Nous devions faire correspondre les propriétés de réflexion des matériaux et tenir compte du fait que les mesures sont effectuées à des fréquences ultrasoniques. Si le modèle avait été posé sur de l'herbe, l'absorption du sol aurait été beaucoup trop élevée. (Le coefficient d'absorption du sol à 12 000 Hz dans le modèle doit correspondre à celui du site réel à 1000 Hz). Nous avons constaté que les panneaux de fibres de densité moyenne fournissent une approximation proche à 12 000 Hz.
Cette maquette acoustique de Stonehenge se trouve dans une chambre semi-anéchoïque à l'université de Salford, au Royaume-Uni. D'une largeur de 2,5 m, la maquette reproduit le monument vers 2200 avant J.-C., lorsqu'il comptait 157 pierres. La ruine d'aujourd'hui contient environ la moitié de ce nombre. La lumière est celle du lever du soleil pour le solstice d'été. Des cales en mousse sur les murs de la chambre imitent l'absorption du son dans la campagne ouverte qui entoure le site réel.
Le même raisonnement explique pourquoi il n'est pas nécessaire que les pierres soient en pierre. Certaines des pierres modèles étaient des creux en plastique imprimés en trois dimensions, remplis de béton pour les rendre suffisamment lourds pour réfléchir efficacement le son. D'autres ont été moulées à l'aide d'un mélange de plâtre et de polymère. Toutes ont été scellées avec une peinture automobile cellulosique en aérosol pour empêcher les sons de pénétrer dans les pores de la surface. Cette approche est plus qu'une simple commodité. Le temps nécessaire à l'impression 3D des 157 pierres a été estimé à neuf mois.
Nous avons dû créer avec précision les caractéristiques du modèle - la taille, la forme et l'emplacement des pierres - car le son provenant de la henge perd principalement de l'énergie entre les pierres extérieures et dans le ciel. Nous nous sommes appuyés sur les dernières données archéologiques concernant la disposition des pierres. Historic England, un organisme public qui contribue à la protection de l'environnement historique du pays, a fourni un modèle informatique montrant la géométrie de la reconstruction telle que Stonehenge apparaissait en 2200 avant J.-C., une époque où son utilisation a probablement atteint son apogée. Ce sont les points de départ de notre modèle physique.
Flûtes, cors et tambours
Il n'est pas facile de faire fonctionner un équipement d'enregistrement à des fréquences à large bande dans la région des ultrasons. En l'absence d'une source omnidirectionnelle compacte, nous avons disposé quatre haut-parleurs d'aigus - chacun orienté vers l'extérieur sur un carré - à l'intérieur de la maquette. Les haut-parleurs émettent des fréquences allant jusqu'à 70 000 Hz que nous avons pu enregistrer. Pour caractériser l'espace, nous avons utilisé un seul microphone et l'avons déplacé progressivement sur 24 positions à l'intérieur de la henge et juste à l'extérieur de ses limites. À chaque position, nous avons mesuré les impulsions brèves et nettes émises par le haut-parleur à d'autres endroits de la maquette.
Ces enregistrements capturaient le son directement de la source au microphone, suivi des milliers de réflexions provenant des pierres. À partir des réponses aux impulsions, nous avons calculé une série de paramètres liés à la perception humaine. Le premier est le temps de réverbération, c'est-à-dire le temps qu'il faut au son pour diminuer de 60 dB après l'arrêt de la source. Dans notre modèle réduit de Stonehenge, le temps de réverbération moyen des fréquences moyennes était de 0,64 ± 0,03 seconde. Un grand cinéma présente des temps de décroissance similaires.
Pour un espace sans toit et avec des espaces entre les pierres pour que le son s'échappe, c'est un temps de réverbération remarquablement long. La réverbération se produit parce que le son qui se propage horizontalement se reflète de façon répétée entre les nombreuses pierres. Bien que le temps de réverbération soit nettement inférieur à celui recommandé pour l'écoute de la musique actuelle, même une petite quantité de réverbération améliore la perception de la musique, quel que soit le genre. En effet, les ingénieurs du son décrivent la réverbération comme du "ketchup auditif", car elle améliore tout ce à quoi elle est ajoutée.
Il est impossible de savoir quels sons nos ancêtres produisaient à Stonehenge, mais des instruments de musique existaient certainement à l'époque de sa construction. Les archéologues ont des preuves de l'existence de flûtes en os, de tuyaux en bois, de cornes d'animaux et de tambours provenant de la Grande-Bretagne et de l'Europe néolithiques. Le chant, quant à lui, était certainement très répandu à l'époque, bien qu'il n'ait laissé aucune trace archéologique.
Un autre paramètre clé que nous avons analysé est l'amplification fournie par les réflexions des pierres. Sur l'ensemble des positions de mesure, elles ont amplifié les sons de la parole de 4,3 dB en moyenne. La plus petite différence de niveau que nous puissions entendre est d'environ 1 dB, alors qu'une augmentation de 10 dB est perçue comme un doublement de l'intensité sonore.
L'amplification à Stonehenge aurait donc facilité la communication et aurait été particulièrement utile si l'orateur faisait face à l'auditoire.
De plus, l'amélioration acoustique de l'amplification et de la réverbération ne se produisait que lorsque les orateurs, les musiciens et les auditeurs se trouvaient à l'intérieur du cercle de pierre.
Les sons qu'ils créaient étaient destinés à d'autres personnes à l'intérieur de la structure plutôt qu'à un public plus nombreux à l'extérieur, dont la vue de l'intérieur aurait été obscurcie. Il a fallu un grand nombre de personnes pour transporter les pierres et construire le monument, mais apparemment seul un petit nombre de personnes - peut-être moins de 50 à l'intérieur du fer à cheval central de pierres bleues - a pu ou a été autorisé à participer pleinement et à assister aux rituels dans le cercle de pierres.
Je remercie Bruno Fazenda et Susan Greaney pour leur collaboration à ce projet.
Livre Sonic Wonderland:
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