Acoustique des cathédrales : pourquoi le son y dure-t-il si longtemps ?

Une note chantée sous les voûtes de Notre-Dame de Paris ne s'arrête pas quand le chanteur se tait : selon l'équipe de Sorbonne Université qui a mesuré la cathédrale, le son peut y réverbérer pendant huit secondes. L'acoustique d'une cathédrale tient à trois choses : un volume immense, des parois de pierre qui renvoient presque tout, et peu de matières pour absorber. Ces huit secondes changent la façon de chanter, de jouer de l'orgue et même d'écrire la musique.

Qu'appelle-t-on réverbération dans une cathédrale ?

La réverbération, c'est le son qui continue après la source : des milliers de réflexions sur les murs, les piliers et la voûte, qui arrivent à l'oreille un peu plus tard et de plus en plus faibles. Les acousticiens la mesurent par le temps de réverbération, la durée qu'il faut au son pour perdre 60 décibels, soit tomber à un millionième de son intensité de départ. Dans un salon meublé, il tient en une fraction de seconde ; dans une nef gothique, en secondes. Et ce n'est pas un écho : l'écho est une répétition distincte, la réverbération est une traîne continue.

Pourquoi le son dure-t-il si longtemps sous les voûtes ?

Deux grandeurs décident presque de tout, et le physicien américain Wallace Sabine les a réunies à la fin du XIXe siècle dans une formule encore enseignée : le temps de réverbération augmente avec le volume de la salle et diminue avec la quantité de matière absorbante qu'elle contient.

• Le volume : une nef haute et longue laisse au son un grand parcours entre deux rebonds, il perd donc son énergie plus lentement.
• La pierre : un mur calcaire nu réfléchit l'essentiel du son qui le frappe, là où un rideau, une moquette ou un public en absorbent une bonne part.
• Les formes : piliers, chapelles latérales et nervures des voûtes renvoient le son dans toutes les directions, ce qui le diffuse et l'étale au lieu de produire un écho net.

Le public compte aussi : des centaines de corps et de manteaux absorbent, et une cathédrale pleine sonne plus sec qu'à vide. Les basses tiennent en général plus longtemps que les aigus, que l'air et les surfaces atténuent davantage : la traîne s'assombrit en s'éteignant.

Que nous a appris l'incendie de Notre-Dame sur son acoustique ?

L'équipe Lutheries, Acoustique, Musique de l'Institut Jean le Rond d'Alembert, dirigée par Christophe d'Alessandro, directeur de recherche au CNRS et organiste, avait mesuré la cathédrale en 1987 et en 2015, avant l'incendie du 15 avril 2019 ; Brian Katz, spécialiste de l'audio 3D, en a tiré une maquette numérique de son acoustique. Revenu dans la cathédrale après le sinistre, Brian Katz a constaté que les trous percés dans la voûte avaient fait baisser le temps de réverbération, comme il l'a expliqué à la radio canadienne CBC.

Cette maquette permet de prévoir comment un choix de restauration, un matériau ou un aménagement modifiera le son de la nef. La cathédrale a rouvert le 7 décembre 2024, et son grand orgue y a été « réveillé » au cours de la cérémonie.

Comment l'orgue profite-t-il d'une si longue réverbération ?

L'orgue est l'instrument qui a grandi avec ces volumes. Celui de Notre-Dame, placé sous la rose ouest, occupe à peu près la largeur de la nef et monte à une vingtaine de mètres ; il compte cinq claviers et 115 jeux, ce qui en fait le plus grand orgue de France par le nombre de jeux. Épargné par les flammes mais couvert de poussière de plomb, il a été restauré à partir de 2020. Sorbonne Université souligne qu'il tire parti de l'acoustique exceptionnelle de l'édifice.

Pour l'organiste, cette traîne est un partenaire exigeant : un trait rapide se brouille, alors qu'un accord plein s'élargit et semble venir de partout. Le tempo, les silences et l'articulation doivent laisser au son le temps de retomber. Pour entendre ce que cela donne sous les voûtes de Notre-Dame, ARTE Concert a consacré une visite à l'instrument :

Visite exclusive d'un des plus grands secrets de Notre-Dame de Paris : son orgue

Le chant grégorien a-t-il été pensé pour ces voûtes ?

Le chant grégorien est une monodie : une seule ligne mélodique, chantée à l'unisson, souvent sans accompagnement. Dans une longue réverbération, chaque note se prolonge pendant que la suivante arrive, et la ligne seule finit par s'entourer d'un halo d'harmonies. Quelques voix y prennent l'ampleur d'un chœur.

Attention au raccourci : ce répertoire s'est formé et diffusé dans des églises de toutes tailles, bien avant les grandes nefs gothiques, et rien ne permet d'affirmer qu'il a été composé « pour » elles. On peut dire plus sobrement que ces lieux le servent. Ceux qui chantent sans instrument retrouveront ces réflexes dans notre guide du chant a cappella.

Quelle musique est née à Notre-Dame de Paris ?

Notre-Dame de Paris a donné son nom à toute une école. Entre 1160 et 1250 environ, selon l'Encyclopædia Universalis, les chantres de la cathédrale développent l'organum, une polyphonie bâtie sur le chant liturgique. Léonin, premier compositeur connu de cette école, fait tenir la mélodie grégorienne en notes très longues à la voix grave, le tenor, pendant qu'une autre voix brode au-dessus. Pérotin va plus loin et écrit des organa à quatre voix, dont le Viderunt omnes est le plus célèbre.

Ces longues tenues font penser à la réverbération de la nef, mais cela reste une hypothèse : les sources disent ce que ces musiciens ont écrit, pas pourquoi ils l'ont fait ainsi.

Pourquoi une cathédrale ne convient-elle pas à toutes les musiques ?

Ce qui porte un accord d'orgue noie une batterie. Quand chaque attaque traîne plusieurs secondes, les coups se mélangent et les consonnes disparaissent. Les salles de concert modernes cherchent donc un équilibre différent, une réverbération assez longue pour donner de l'ampleur à l'orchestre mais assez courte pour garder la clarté ; certaines sont présentées dans notre sélection des salles de concert mythiques. Le studio d'enregistrement fait le choix opposé et traite ses murs pour couper la traîne, comme l'explique notre article sur le panneau acoustique de studio.

La prochaine fois que vous entrerez dans une nef, tapez une fois dans vos mains et comptez jusqu'à ce que le silence revienne : c'est cette traîne que les organistes apprivoisent. Et si ce sont les cloches qui vous arrêtent sur le parvis, poursuivez avec les clochers les plus célèbres et leur son.