Qu’est-ce que la cymatique ? Figures de Chladni et art

La cymatique est la pratique qui consiste à rendre la vibration visible. Quand une plaque, une membrane ou un liquide vibre à certaines fréquences, certaines zones bougent beaucoup et d’autres presque pas, et une matière fine répandue dessus, comme du sable, se rassemble en un motif qui montre où se trouvent ces zones calmes. On appelle souvent ces motifs des figures de Chladni, du nom du scientifique qui les a étudiées de façon systématique il y a plus de deux siècles.

Pourquoi le sable dessine une figure

Imagine une fine plaque de métal tenue en son centre, avec un peu de sable dessus. Passe un archet de violon sur son bord, et la plaque se met à vibrer. Pour la plupart des notes, le sable ne fait que trembler. Mais pour certaines notes précises, la plaque adopte une façon stable de vibrer, appelée mode, et le sable se met soudain en mouvement.

Dans un mode, la plaque est divisée en zones qui montent et descendent en sens opposés. Entre ces zones courent des lignes qui ne bougent presque pas : les lignes nodales. Là où la plaque bouge fortement, aux ventres, les grains sont projetés en l’air et retombent ailleurs. Quand ils retombent par hasard sur une ligne nodale, plus rien ne les relance. Au bout de quelques secondes, presque tout le sable s’est rassemblé sur les lignes, et la figure apparaît.

Une courbe montrée à six instants d’une même vibration, comme un élastique vu de profil : certains points restent sur la ligne centrale tandis que les parties entre eux oscillent de haut en bas. Les grains reposent aux points immobiles et rebondissent au-dessus des parties qui bougent. — Une plaque vue de profil, simplifiée à une seule dimension. Les grains sont projetés là où elle bouge le plus et s’immobilisent là où elle bouge à peine.

La figure n’est donc pas une image du son dans l’air. C’est une carte de la façon dont une plaque précise bouge à une fréquence précise.

Les figures de Chladni et leur histoire

L’effet a été remarqué avant d’être expliqué. Le 8 juillet 1680, Robert Hooke passe un archet sur le bord d’une plaque de verre couverte de farine et voit se former des motifs nodaux. Un siècle plus tard, le physicien et musicien allemand Ernst Chladni rend la méthode systématique. Dans son livre de 1787, Entdeckungen über die Theorie des Klanges (Découvertes sur la théorie du son), il décrit des plaques de métal saupoudrées de sable et frottées à l’archet sur le bord, et dessine des dizaines des figures qu’elles produisent.

Chladni présente les figures à Paris en 1808, devant un public qui compte Napoléon, lequel fait instituer un prix pour une théorie mathématique des plaques vibrantes. La mathématicienne Sophie Germain est la seule candidate lors des deux premiers concours et, à sa troisième tentative, elle remporte le prix, même si sa théorie présente encore des lacunes que d’autres mathématiciens combleront plus tard.

Un détail de 1831 montre à quel point l’effet est subtil. Dans son article On a peculiar class of acoustical figures, Michael Faraday remarque que les poudres très légères, comme les spores de lycopode, s’accumulent aux endroits de la plaque qui vibrent le plus, à l’inverse du sable. Il attribue la différence aux courants d’air créés par la plaque en vibration, qui emportent les particules très légères mais pas les grains de sable, plus lourds.

Le mot cymatique, du grec kyma, l’onde, est apparu bien plus tard. Le médecin suisse Hans Jenny l’a forgé pour son livre Kymatik (1967), une étude photographique du sable, de poudres et de liquides mis en mouvement par des oscillateurs.

Ce qui change le motif

Trois choses décident de la figure que tu vois.

La fréquence. Une plaque peut vibrer selon de nombreux modes, chacun à sa propre fréquence. Les modes les plus élevés divisent en général la plaque en davantage de zones, et les figures deviennent plus complexes.
La matière et l’objet. La taille, l’épaisseur, la forme, la rigidité et la densité changent les fréquences que la plaque préfère. Une plaque carrée et une plaque ronde accordées sur la même note ne forment pas la même figure, pas plus qu’une plaque d’acier et une de verre.
La résonance et la fixation. Un motif n’apparaît clairement que près d’une fréquence de résonance, quand la plaque répond fortement à l’impulsion qu’elle reçoit. L’endroit où elle est fixée et celui où on l’excite comptent aussi : la tenir par le centre ou par un bord change les modes possibles.

Six plaques carrées, chacune avec des lignes dorées sur fond sombre, d’une simple croix avec deux arcs à de denses réseaux symétriques de courbes. — Six des neuf figures de Cymatics, dans Synfield, dessinées avec la formule qu’utilise le monde. n et m comptent les ondes qui traversent la plaque ; plus ils sont grands, plus les figures sont fines.

Son, géométrie et perception

Les figures frappent parce qu’elles sont symétriques, et cette symétrie a une cause simple : une plaque symétrique vibre de manière symétrique. Leur géométrie appartient autant à l’objet qu’au son.

Cette simplicité compte, car les images cymatiques servent souvent à appuyer l’idée que le son aurait des formes guérisseuses, ou que certaines fréquences seraient spéciales en elles-mêmes. La physique ne soutient pas ces affirmations. Les figures de Chladni s’expliquent bien par la mécanique classique des surfaces qui vibrent. Ce qui est réel, et remarquable, c’est la façon directe dont elles laissent voir avec les yeux quelque chose qu’on ne fait d’habitude qu’entendre.

Interprétations artistiques

Les artistes ont utilisé la cymatique de deux façons différentes : en mettant en scène le phénomène réel, ou en empruntant son apparence.

Le clip Cymatics (2014) du compositeur Nigel Stanford est un exemple de la première. Chaque son déclenche une expérience physique, comme une plaque de Chladni, un plat d’eau posé sur un haut-parleur ou du ferrofluide, et le projet affirme que toutes les expériences sont réelles. Beaucoup d’artistes visuels suivent la seconde voie et puisent dans la symétrie et l’ordre des figures sans aucune plaque.

Les artistes numériques se situent entre les deux. Ils peuvent résoudre les équations d’une plaque qui vibre, les approcher ou simplement utiliser les figures comme langage visuel. Tout cela est légitime, tant que l’œuvre ne se fait pas passer pour ce qu’elle n’est pas.

Cymatics dans Synfield : une interprétation

Cymatics, dans Synfield, est une interprétation artistique, pas une expérience. Il n’y a ni plaque ni vibration. Le monde dessine des dizaines de milliers de grains de lumière et déplace chacun, à chaque image, vers la ligne la plus proche où s’annule une formule simplifiée bien connue des figures d’une plaque carrée. La formule produit des motifs très proches de ceux d’une vraie plaque, mais elle ne la simule pas, et aucune loi physique ne décide où tombe chaque grain.

Des grains de lumière dorée posés en lignes courbes et en croix diagonale sur une plaque carrée sombre. — Livrée à elle-même, la plaque passe lentement d’une figure à la suivante.

Un réseau plus fin et plus lumineux de lignes et d’ovales sur la même plaque carrée. — Ouverte vers une figure plus haute et maintenue : les grains se posent sur un réseau plus dense.

Le monde propose neuf figures. Ouvrir ou fermer la main, ou tourner la molette de la souris, fait passer de l’une à l’autre, de la plus simple à la plus complexe, et chaque figure est associée à une note d’une gamme pentatonique dans le son du monde. Ce lien entre note et figure est un choix de conception : le son que tu entends ne façonne pas le motif, comme ce serait le cas sur une plaque physique. Garder les doigts pincés, ou appuyer et maintenir, fige la figure ; au relâchement, les grains sont projetés avant de retrouver leurs lignes.

La même plaque avec les grains dispersés en une brume légère, la figure à peine visible. — Juste après le relâchement : les grains sautent, puis commencent à se reposer.

En bref

La cymatique rend la vibration visible : les grains se rassemblent là où une surface qui vibre reste immobile, et la figure obtenue dépend de la fréquence, de la matière et de la manière dont l’objet est tenu. Elle a une longue histoire, de Hooke et Chladni à Jenny, et une longue vie dans l’art. Quand tu croises une image cymatique, il vaut la peine de te demander de quel type elle est : une vraie surface qui vibre, ou une image qui emprunte son ordre. Les deux peuvent être belles, et ce n’est pas la même chose. Pour la famille plus large des œuvres qui répondent à ce que tu fais, vois Qu’est-ce que l’art interactif ?.