SCIENCES PHYSIQUES - U. 3 OPTION MÉTIERS DU SON

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1 , BTS METIERS DE L'AUDIOVISUEL SCIENCES PHYSIQUES - U. 3 OPTION MÉTIERS DU SON SESSION 2012 Durée : 3 heures Coefficient: 2 Matériel autorisé: - Toutes les calculatrices de poche y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante (Circulaire n , 16/11/1999). Tout autre matériel est interdit. Documents à rendre avec la copie: - document-réponsedr1 page 9/10 - document-réponsedr2 page 10/10 Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il est complet. Le sujet comporte 10 pages, numérotées de 1/10 à 10/10. Pa e: 1/10

2 La qualité et la clarté de la rédaction sont prises en compte dans l'attribution de la note. Il est impératif de respecter les notations de l'énoncé. En outre, le candidat devra traiter dans l'ordre les questions au sein d'un exercice. A - OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE Dans cette partie, on se propose d'étudier un convertisseur optique appelé complément optique qui se fixe comme un filtre à l'avant d'un objectif. 1) Distance minimum de mise au point (MAP) On s'intéresse à la variation de la distance minimum de mise au point de l'objectif appelée MAP due au complément optique. L'objectif est assimilé à une lentille mince convergente L. Ses caractéristiques précisent que la mise au point peut être réalisée depuis l'infini jusqu'à une MAP de valeur algébrique p = OA correspondant à une distance de OA = 80 cm. Soit la distance algébrique p' = OA' entre la lentille L, de distance focale f = 50 mm, de centre optique 0 et le support film placé en A'. Cette distance est variable pour permettre la mise au point. 1. Calculer numériquement la valeur minimum de p' soit p'min. 2. Calculer numériquement la valeur maximum de p' soit p'max. Le complément optique est maintenant monté sur l'objectif; on suppose que l'ensemble peut être assimilé à une lentille mince L' de distance focale fo' = 70 mm. Le centre optique 0 se trouve à la distance p'o= OA'o du support film placé en A'o. 3. Calculer numériquement la valeur algébrique Po= ~Ao de la nouvelle MAP correspondant à la distance algébrique image OA'o = [(f '0 -f,)+ p'maxl ; on prendra p'maxégal à 53,3 mm. On définit le grossissement G du système par le rapport: G = fo'. f' 4. Montrer numériquement que la formule du convertisseur de focale Po = G 2 est P approximativement vérifiée. Session2012 Pa e: 2/10

3 B - COLORIMÉTRIE Une surface blanche est éclairée à l'aide de deux projecteurs à incandescence de mêmes caractéristiques et disposés symétriquement de part et d'autre de la surface. Pour créer une ambiance colorée, un filtre de couleur est placé sur chacune des sources. Les caractéristiques des filtres pour un illuminant à 3200 K sont les suivantes: Couleur du filtre C 1 C 2 Longueur d'onde dominante (nm) Coefficient de pureté (%) Coefficient de transmission (%) Placer les couleurs C 1 et C 2 sur le diagramme de chromaticité du document-réponse DR1 situé en annexe (page 9/10). Le blanc d'égale énergie se trouve aux coordonnées: x = 1/3 ; Y = 1/3. 2. Donner les coordonnées (X1 ; Y1) de C1 et (X2 ; Y2) de C2. 3. Déterminer les coordonnées (XM ; YM) du mélange CM, à l'aide de la méthode de votre choix que vous expliciterez. 4. Quelle est la longueur d'onde dominante de ce mélange? C - ACOUSTIQUE Une salle de spectacle est conçue comme un amphithéâtre. On l'assimilera, pour simplifier, à un demi parallélépipède rectangle, comme l'indique la figure n 0 1 ci-dessous (la figure n'est pas à l'échelle). Dans toute la suite de l'exercice, on prendra pour la célérité du son dans l'air: c = 340 m.s". L=25 m ) Pa e: 3/10

4 Un comédien placé au point a produit un niveau acoustique L 1 = 80 db spl à la distance 1 m. Un système de sonorisation est prévu afin de renforcer sa voix. Il comprend, en plus de l'enceinte placée en P, un micro-cravate situé à la distance d 3 = 25 cm de la bouche du comédien (non visible sur la figure n01). 1. Calculer la valeur du niveau acoustique Lmrecueilli par la capsule du micro. 2. Calculer la valeur de la pression p correspondante à ce niveau Lm. 3. Calculer la valeur de la tension électrique U délivrée par le micro, sachant que sa sensibilité est s = 20 mv.pa- 1. Le haut-parleur placé en P possède une impédance de 8 n. Il est alimenté par un amplificateur qui lui fournit une puissance électrique P, = 4 W. 4. Calculer la valeur de la tension électrique U' aux bornes de l'enceinte. 5. En déduire le gain en db entre la tension U' et une tension U = 16 mv en sortie du micro. On introduit dans la chaîne d'amplification de la sonorisation un module de retard. 6. Calculer la valeur 6t de ce retard, pour que le son émis par l'enceinte, au point d'écoute en M, arrive avec un retard de 20 ms par rapport au son émis par le comédien. On donne les valeurs des distances suivantes: dl = am = 9 m et d 2 = PM = 3,5 m. 7. Calculer la surface totale S de la salle (les dimensions de la salle sont fournies sur la figure n01). 8. En déduire la surface d'absorption équivalente Al de la salle pour un coefficient d'absorption moyen de al = 0,15. On s'intéresse dans un premier temps au niveau produit par le comédien au point M. La bouche du comédien est considérée comme une source ponctuelle et omnidirectionnelle; elle produit un niveau acoustique Ll = 80 db spl à la distance 1 m du point O. Le point M est toujours situé à la distance dl = am = 9 m. On rappelle que le niveau de pression total Lpl mesuré à une distance d est donné par la relation: Q 4 Lpl = Lw + 10 Log (--2 +-) avec Lw : niveau de puissance de la source; 4nd A Q : facteur de directivité de la source ; A : surface équivalente de la salle en m 2 9. Calculer la valeur de la distance critique rc1pour laquelle le niveau de pression du champ direct Lpd1est égal au niveau de pression du champ réverbéré Lpr1(la relation de la distance critique n'est pas à démontrer). 10. Montrer que Lwvaut 91 db spl. 11. En déduire le niveau de pression total Lpl produit par le comédien au point M compte tenu de la distance dl. ustifier votre résultat. On souhaite mettre en œuvre l'effet de précédence ou effet Haas. L'enceinte est considérée comme une source ponctuelle au point P, d'une sensibilité de niveau L 2 = 87 db spl à 1 m pour une puissance électrique efficace de 1 W avec un facteur de directivité de Q = 3,5 aux fréquences considérées dans la direction du point M. Pa e: 4/10

5 12. Qu'est ce que l'effet Haas? 13. Les conditions temporelles de son application sont-elles remplies compte tenu de la question C-6 précédente? Pour rester dans les conditions de Haas, le niveau de pression total L p2 délivré par l'enceinte au point M doit être au maximum de 10 db au dessus du niveau de pression total L p1 = 75 dbspl produit par le comédien en ce même point Pour ce niveau de pression total L p2, on adoptera sa valeur maximum: L p2 = 85 dbspl 14. Calculer la distance critique rc2de l'enceinte. On prendra Al = 177 m En déduire la valeur du niveau du champ direct L pd2 délivré par l'enceinte au point M. La distance de l'enceinte au point M est d2= PM = 3,6 m. 16. Calculer la puissance électrique Pefournie à l'enceinte pour une valeur L pd2 = 82 dbspl. 17. Un public a maintenant pris place sur les gradins de la salle (figure n01) ; on montre que le niveau émis par le comédien au point M reste sensiblement le même que la salle soit vide ou pleine. La puissance électrique Pe fournie à l'enceinte reste la même (réf. question C-15.). Les conditions de Haas sont-elles toujours vérifiées? ustifier sans calcul. Dans une analyse de la courbe de réponse de la salle aux basses fréquences, on observe des irrégularités. 18. Quelles sont les parois de la salle concernées par ce phénomène? ustifier. Pour simplifier, on s'intéresse uniquement aux modes axiaux (une dimension) de la salle pour les parois concernées. 19. Calculer le volume total V de la salle (les dimensions sont fournies sur la figure n01). 20. Calculer le temps de réverbération TR, suivant la formule de Sabine, lorsque la salle est occupée par le public, ce qui représente une surface équivalente: A 2 = 375 m En déduire la valeur de la fréquence de Shroeder fs donnée par la relation: fs = 2000.~!S. On rappelle qu'il s'agit de la fréquence de coupure en dessous de laquelle les fréquences propres de la salle sont suffisamment espacées pour être prises en compte. 22. Donner l'expression des fréquences propres f m pour les parois concernées, en fonction de h, distance séparant les deux parois concernées, c, célérité du son dans l'air et m, un entier non nul. 23. Calculer les fréquences propres audibles. Pa e: 5/10

6 o - ÉLECTRICITÉ On étudie dans cette partie la radio diffusion stéréo analogique en bande FM. On souhaite' diffuser une émission de radio en stéréo, la diffusion en modulation de fréquence nécessite la création d'un nouveau signal audio composite à partir du signal audio stéréo standard: le signal MPX. La recommandation BS de l'uit-r définit les spécifications du codage multiplex. Le document suivant décrit le schéma fonctionnel d'un codeur MPX. Le codeur permet de passer du signal audio stéréo (g = signal voie gauche, d = signal voie droite) au signal audio MPX. Il s'agit d'un multiplexage fréquentiel. Le signal audio composite MPX se trouve en sortie du montage sommateur : Pl(t) et P2(t) sont deux sous-porteuses sinusoïdales de fréquences respectives f pl = 19 khz et fp2 = 38 khz. d' d Filtre Pré- --+ passei- accentuation bande r-f---. Montage 1 m g L+ ---II Filtre Pré- Montage 2 ~ Montage passe- accentuation ~ bande r+ g' Sommateur L 1- Signal sinusoïdal f p2 = 38 khz Signal sinusoïdal f pl = 19 khz.- - P2 Signal audio composite MPX P1 Le filtre passe-bande permet d'éliminer les composantes spectrales inférieures à 20 Hz et supérieures à 15 khz des signaux g(t) et d(t), pour éviter tout recouvrement dans le spectre du signal MPX. Le spectre des signaux g'(t) et d'(t) (ainsi que celui de m(t) et stt) 15 khz. est compris entre 20 Hz et Pa e: 6/10

7 1) Étude du filtre de préaccentuation Les deux signaux g(t) et d(t) sont pré-accentués après un filtrage passe-bande. La préaccentuation est réalisée avec le montage suivant dont l'étude se fera en régime sinusoïdal. On suppose, pour cette partie, que d(t) est un signal sinusoïdal de valeur efficace D et de fréquence f variable. On associera aux signaux sinusoïdaux d(t) et d'(t), de pulsation œ et de fréquence f, les grandeurs complexes g et d'. Filtre de préaccentuation d 1. Déterminer l'expression de l'impédance complexe ~! du circuit constitué de R l et C l placés en parallèle. On pose k..l'impédance complexe du circuit constitué de R 2 et C 2 placés en parallèle. 2. Exprimer la fonction de transfert T = çl' en fonction de Zl et ~. - d En déduire son expression en fonction de R1, R2, C l, C2 et œ, 4. Montrer que T peut se mettre sous la forme T=~. l+jl F,.. _. -o f 1+j---- x,.f;. avec 5. On donne Fe = 3183 Hz, ~= 0,06 et Ke= 15. Calculer R2, Cl et C2 sachant que R1 = 5 ko. 6. Montrer que le gain est de - 24,4 db, aux basses fréquences et de - 0,9 db, aux hautes fréquences. 7. Tracer l'allure de la courbe asymptotique de gain sur le document-réponse DR2 situé en annexe (page 10/10) en précisant la valeur en db, par décade, de la partie oblique de la courbe. Pa e: 7/10

8 2) Étude du matriçage Les montages 1 et 2 sont effectués respectivement par les amplificateurs opérationnels AOP1 et AOP2 qui fonctionnent en régime linéaire. Ils sont supposés idéaux et sont alimentés en + V cc et - Vcc. 1>"" d' AOP1 + m /77 /77 l> 00 AOP2 + R s /77 /77 On s'intéresse à la fonction réalisée par "AOP1. 1. ustifier que l'aop1 fonctionne en régime linéaire. 2. Quelle est alors la valeur de Ud = v+ - v-? 3. Exprimer m(t) en fonction de g'(t) et d'(t). 4. Quelle est la fonction réalisée par cet amplificateur opérationnel? 5. ustifier l'appellation «signal mono» donnée au signal met). On s'intéresse à la fonction réalisée par l'amplificateur AOP2. 'et) d'et) 6. Montrer que set) = g Quelle est la fonction réalisée par cet amplificateur opérationnel? 8. ustifier l'appellation signal stéréo donnée au signal s(t). Pa e: 8/10

9 DOCUMENT-RÉPONSE DR1 (À RENDRE OBLIGATOIREMENT AVEC LA COPIE) y! ~I5~ o. 8 /""..., <,. 530 "".} o. 7 0, 6 /'10 verts ~540 ~~ K f\\:60 o. o '" K ''0~90 4 \ jaunes \ c!ans oranges ~o o a o K:I 620,3 4904lll rouges ~o \,2 Meus,1 pourpres.,,, ,.. 4~ 14~ violets ~,.,.., "... '" ~ , , :,.' ~..., , 7bo_, x Pa e: 9/10

10 DOCUMENT-RÉPONSE DR2 (À RENDRE OBLIGATOIREMENT AVEC LA COPIE) 100kHz 1MHz f Pa e: 10/10