LE SON. Émetteur Milieu de propagation Récepteur. Définition. Exemples

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1 LE SON I PROPRIETES GENERALES A Chaîne sonore Onde sonore : onde mécanique longitudinale perceptible par l oreille humaine. Comme pour la lumière, trois parties sont indispensables dans une chaîne sonore, l émetteur, le milieu de propagation et le récepteur. Définition Émetteur Milieu de propagation Récepteur Exemples Émetteur ou récepteur électrodynamique : système qui transforme la vibration mécanique sonore en signal électrique ou un signal électrique en vibration mécanique sonore. Dans un microphone ou un haut-parleur, un aimant et une bobine sont couplés. Dans le haut-parleur, si un courant alternatif parcourt la bobine, elle génère un champ magnétique variable qui la fait osciller le long de l aimant autour duquel elle est enroulée. La bobine est solidaire de la membrane qu elle entraîne, ce qui génère une vibration de l air qui reproduit les mêmes variations que le courant, donc un son. Le schéma d un microphone se fait identiquement mais en sens inverse. Schéma de principe d un haut-parleur B Sons audibles La notion de son audible est directement liée à la perception humaine. De manière standard, les limites des fréquences de vibrations perceptibles par l homme sont 20 à Hz. En deçà se trouvent les infrasons, audelà les ultrasons. Fréquence sonore maximale perceptible selon les espèces SON 1/7 TS-SPECIALITE

2 C Propagation Vitesse de propagation : célérité de l onde sonore dans le milieu matériel. Elle dépend de la nature du milieu et de son état physique (T, P ) Compte tenu de la nature de l onde, le milieu de propagation est nécessairement matériel (contrairement à la lumière qui peut se propager dans le vide). Milieu (20 C) V (m.s -1 ) Air à V (m.s -1 ) Air - 20 C Hélium 0 C Dihydrogène 20 C Eau 50 C Acier Béton Croûte terrestre Mach n : n fois la vitesse du son dans le milieu étudié (dépend donc du milieu et de sa température) II L OREILLE HUMAINE A Schéma de l oreille On distingue trois niveaux dans l oreille : externe, moyenne et interne. Le tympan est la membrane qui reproduit les vibrations mécaniques du son. SON 2/7 TS-SPECIALITE

3 B sensation auditive L intensité du son est la puissance acoustique reçue par unité de surface du récepteur (en W.m -2 ). Chaque récepteur a une sensibilité qui varie selon la fréquence. Dans le cas de l oreille, le maximum de sensibilité se situe vers 3000 Hz. La sensation auditive produite par un son dépend donc de son intensité et de la sensibilité de l oreille à sa fréquence. La sensation n est pas proportionnelle à l intensité : deux hautparleurs donnant deux sons identiques ne donnent pas ensemble une impression de son 2 fois plus fort. On définit le niveau d intensité acoustique par : L = 10.log(I/I 0 ) avec I = intensité acoustique I 0 = intensité acoustique minimale perceptible (seuil d audibilité) fixée à W.m -2. L est exprimé en décibels (db). Par combien faut-il multiplier l intensité du son pour que l intensité acoustique augmente de : 3 db : 10 db : Remarque : Contrairement à l œil, l oreille ne peut pas se fermer pour se protéger d un son. De plus le seuil de dangerosité est inférieur au seuil douloureux. Ainsi, la destruction des capteurs de l oreille commence avant que l on ne s en rende compte lors de l écoute de sons trop intenses. Cette destruction est irréversible. Certaines personnes sont ressorties définitivement et totalement sourdes de concerts. L écoute répétée de divers haut-parleurs (portatifs ou non) à des niveaux trop élevés endommage gravement et irréversiblement l ouïe. Les enfants y sont particulièrement sensibles. III ANALYSE D UN SON A Analyse globale Trois termes sont utilisés en acoustique pour décrire le son : La hauteur d un son distingue le son grave du son aigu. L intensité d un son distingue le son fort du son faible. Le timbre d un son distingue deux notes identiques produites par deux instruments différents. SON 3/7 TS-SPECIALITE

4 B Spectre d un son Décomposition de Fourrier : Un signal périodique de fréquence f 0 peut toujours s'écrire comme la somme (infinie) de fonctions sinusoïdales de fréquences multiples (entiers) de f 0. f 0 (ou 0 = 2πf 0 ) est appelé fondamental, ses multiples entiers (n.f 0 ou n. 0 ) sont appelés les harmoniques. Soit : fonctiondepulsation 0 0 an.cos(n. t) n 1 Les coefficients a n peuvent prendre toutes les valeurs possibles, en particulier nulles. Le spectre est l'ensemble des fréquences présentes dans une fonction pouvant s'écrire comme une somme de fonctions sinusoïdales. Par exemple, le spectre de la fonction suivante contient, 3 et 7 : u(t) = Acos t + 2A cos(3 t) + 0,5.A cos(7 t) 2A amplitude On schématise le spectre par un graphique : Amplitude = f(pulsation) où l'on représente par un trait vertical chaque pulsation présente dans la somme de fonctions. Un trait vertical d'abscisse sur ce graphe signifie que u(t) contient un terme sinusoïdal de pulsation. La hauteur du trait dépend du coefficient de ce terme. pulsation Spectre de la fonction u(t)= Acos t + 2A cos(3 t) + 0,5.A cos(7 t) Le spectre d une fonction périodique permet de visualiser l amplitude de son fondamental et de ses harmoniques. C Enveloppe Il est possible à partir de synthétiser une note de musique d un instrument par l émission simultanée de sons sinusoïdaux correspondant à ceux de son spectre. Si l on s en contente on obtient une musique «plate». En effet les sons émis par les instruments de musique ne sont généralement pas des sons réellement périodiques pendant un temps donné. Ils sont plutôt pseudo-périodiques avec une attaque (montée en amplitude du son), un corps (intervalle où le son est globalement périodique) et une extinction (baisse en intensité du son). 1A L enveloppe est la courbe qui décrit ces variations d amplitude (comme dans le circuit RLC). Si l on affine la synthèse à l aide de l enveloppe, on génère une gamme infiniment variée de sons en produisant le relief et les sonorités des véritables instruments. SON 4/7 TS-SPECIALITE

5 SON1 : CARACTERISTIQUES DU SON PREPARATION 0. Lire le document d accompagnement et compléter les tableaux et questions. 1. Rappeler la définition d une onde périodique longitudinale. 2. Donner la définition de la période, de la fréquence. 3. Donner la définition de la longueur d onde et la relation avec la période. 4. Donner les domaines de périodes et de longueurs d onde du son dans l air à 20 C. MANIPULATION MATERIEL Générateur de signaux (GBF) Haut-parleur Microphone Oscilloscope ORPHY avec boîtier module test Fils Diapasons, instruments INFORMATIQUE Logiciel WAVER BUT DE LA MANIPULATION On étudie les caractéristiques des sons. PROTOCOLE EXPERIMENTAL Brancher le haut-parleur sur le GBF réglé en signal sinusoïdal. Connecter à l entrée de l oscilloscope. Brancher le microphone sur l oscilloscope et vérifier que le signal reçu est cohérent avec le signal émis. Mettre en évidence de façon qualitative la propagation. Étudier le signal émis pour éviter les parasites sur le signal reçu au micro et faire varier ses caractéristiques : timbre, hauteur, intensité. A l'aide du micro, tenter de reproduire en chantant un son pur (sinusoïdal). Lancer le logiciel REGAVI sur l'ordinateur. Faire l acquisition du signal sinusoïdal puis triangulaire à diverses fréquences et déterminer leurs spectres. Recommencer en enregistrant la voix. Ouvrir des fichiers sons d'instruments différents. Passer ensuite sur Regressi pour obtenir le spectre. Étudier en particulier le sol3 joué par différents instruments. A l'aide du logiciel WAVER synthétiser un son en additionnant des fréquences à diverses amplitudes (créer un son à partir de son spectre). RESULTATS Schématiser les montages et les oscillogrammes dans les diverses situations. Expliquer comment on met en évidence une vitesse de propagation finie. Préciser (à l aide de schémas éventuellement) les grandeurs physiques qui varient lorsque varient le timbre, l intensité et la hauteur du son. Décrire l allure des sons musicaux (en particulier l enveloppe). Donner les résultats des spectres pour les différents signaux (schémas, fréquences, fondamental et harmoniques). CONCLUSION Quels sons sont les plus agréables? A quoi est due la distorsion du signal du microphone? Qu'est-ce qui différencie la même note jouée par deux instruments différents? SON 5/7 TS-SPECIALITE