ONDES ET MUSIQUE. Organisation de la séquence

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1 Tale STL SPCL Classe : Terminale STL-SPCL THEME du programme : Ondes Enseignement : Physique-chimie PCL Sous-thème : les ondes qui nous environnent ONDES ET MUSIQUE Problématique générale de la séquence Les activités proposées permettent aux élèves de retrouver ou découvrir des notions fondamentales en physique ondulatoire en lien avec les sons produits par des instruments de musique. Organisation de la séquence Durée : 3h à 4h Position dans la progression de l année : Cette séquence intervient assez tôt dans l année car elle met en œuvre des grandeurs physiques spécifiques des ondes. Progression succincte en activités : Enregistrement d un son complexe émis par une corde de guitare. Caractérisation du signal émis et mesure de la période du signal pour caractériser une note de musique. Enregistrement d un son pur émis par un diapason et comparaison du signal émis à celui de la guitare. Oscillation forcée d une corde de guitare et mise en évidence des modes propres de vibration. Enregistrement du son émis par la guitare et analyse spectrale du signal. Comparaison des harmoniques obtenues et des modes propres de vibration. Titre des activités décrites dans la ressource : Activité 1 : Guitare et diapason : quelle est la différence? Activité 2 : Oscillation forcée d une corde et son émis Activité 3 : Spectre du signal et timbre d un instrument Activité 4 : Un accord parfait Description des activités : Activité 1 : Distinguer les différents instruments en comparant l allure des signaux enregistrés. Caractériser un son pur et un son complexe. Activité 2 : Observer la résonance d une corde de guitare aux fréquences propres de vibrations. Activité 3 : Observer le spectre d un son émis par la guitare. Identification des harmoniques identiques aux fréquences propres de vibration de la corde. Activité 4 : Justifier un accord de guitare parfait Objectifs visés : Identifier la grandeur vibratoire de l onde émise Identifier la nature périodique d un son émis par un instrument complexe. Mesurer la période de ce signal complexe. Faire percevoir aux élèves le phénomène de résonance à des fréquences particulières de vibration de l instrument : les modes propres de vibration. Réaliser l analyse spectrale de l instrument et associer les harmoniques obtenues aux modes propres de vibration. Associer le spectre du signal au timbre de l instrument. Associer le mode fondamental à la fréquence du signal complexe de l instrument. Faire percevoir aux élèves que le son complexe est la somme de sons purs dont les fréquences sont les harmoniques. LT Catalins 1/7

2 Type d'activité : Démarche d investigation et activité expérimentale Structuration de connaissances Réinvestissement et/ou approfondissement Conditions de mise en œuvre Conditions matérielles : un laboratoire de physique avec son matériel standard. Travail en laboratoire (à 2) Extrait du BOEN NOTIONS ET CONTENUS Perturbation d un système physique ; réponse du système. Ondes progressives périodiques ; ondes sinusoïdales : fréquence, période, longueur d'onde, célérité, amplitude, intensité. Périodicités temporelle et spatiale. Ondes stationnaires Cavité résonante, modes propres. COMPETENCES ATTENDUES Caractériser la réponse temporelle de différents systèmes physiques soumis à une perturbation en utilisant les capteurs appropriés. Identifier la grandeur vibratoire. Visualiser et exploiter le spectre en amplitude d'un signal temporel représentatif d'oscillations Représenter les évolutions temporelle et spatiale du phénomène observé Mettre en évidence expérimentalement un phénomène de résonance en mécanique ; mesurer une fréquence de résonance et déterminer un facteur de qualité. Distinguer les ondes stationnaires des ondes progressives Compétences transversales (Préambule des programmes et socle commun) Mobiliser ses connaissances Rechercher, extraire, organiser des informations utiles (le BO précise l'information utile) Formuler des hypothèses Raisonner, argumenter, démontrer Travailler en équipe Provenance : Christophe.Truillet@ac-grenoble.fr; Carole.Boccaccio@ac-grenoble.fr Adresse du site académique : L.T. Catalins page 2/7

3 ONDES ET MUSIQUE I. Activité 1 : Guitare et diapason : quelle est la différence? Cette activité se déroule en deux phases La première consiste à enregistrer deux notes de musique et de déterminer un paramètre physique permettant de les différencier. La grandeur vibratoire est identifiée (pression) ; la tension à la sortie du microphone est l image de la surpression sonore. Les élèves remarquent que le signal obtenu est complexe mais périodique. C est la période du signal temporelle qui permet de caractériser une note de musique. Plus la note est haute, plus la fréquence est élevée. Un exemple d enregistrement est donné ci-dessous : La fréquence du signal périodique est égale à 81,8 Hz et correspond à la note Mi grave (plus grosse corde de la guitare). La seconde phase consiste à comparer les sons émis par différents instruments et un diapason. Les notes jouées sont identique, il s agit du La4. Les périodes des signaux enregistrés sont identiques. Seul le son émis par le diapason est pur car le signal est harmonique. Les signaux émis par les instruments ont tous des allures différentes. L enregistrement du son émis par le diapason est donné ci-dessous : II. Activité 2 : Vibration d une corde et son émis On excite une corde métallique par une force magnétique variant sinusoïdalement à une fréquence fixée par l expérimentateur. L oscillation libre de la corde a déjà été étudiée dans la partie précédente, sa note est le Mi. On demande aux élèves d imaginer le comportement de la corde à différentes fréquence : celle correspondant au son émis et les autres. La guitare émet un son à la fréquence correspondant au Mi mais aussi à toutes les fréquences multiples de la fréquence Mi. Pour toutes les autres fréquences la guitare n émet pas de son même si la corde oscille. Les oscillations de la corde sont forcés mais la guitare résonne à certaines fréquences appelées fréquences de résonance (ou modes propres de vibration). L.T. Catalins page 3/7

4 III. Activité 3 : Spectre du signal et spectre d un instrument On propose aux élèves d enregistrer le son émis par une corde de guitare grattée et de commenter le spectre obtenu à l aide des fonctionnalités de l oscilloscope numériques. La représentation fréquentielle de l onde émise permet d obtenir des informations (fréquences et amplitudes des différentes harmoniques) que l on n a pas avec la représentation temporelle. Un exemple de spectre est donné ci-dessous : La fréquence de 81,85 Hz correspond à la première harmonique. Les autres harmoniques sont des fréquences multiples de la fréquence fondamentale et correspondent aux modes propres déterminés dans la partie précédente. Le spectre obtenu pour le son émis par le diapason est le suivant : Le son est effectivement pur puisqu il n y a qu une seule harmonique. L.T. Catalins page 4/7

5 IV. Activité 4 : un accord parfait Une simulation permet de réaliser un signal complexe à partir de la somme de signaux harmoniques. Il est possible de faire varier l amplitude de chaque harmonique et d observer l effet obtenu sur l allure du signal complexe. Harmoniques Signal complexe U(V) U(V) On peut réinvestir les capacités acquises pour justifier les composantes d un accord parfait. Un accord parfait est constitué de 3 notes jouées simultanément (une note fondamentale, une tierce et une quinte). Il est parfait car lorsque l on joue simultanément les 3 notes ensemble, le son produit est harmonieux. Pour réaliser un accord de do, la note fondamentale est le do 1, la tierce est la note sol 1 et la quinte est la note mi 1. Les 3 notes précédentes appartiennent à l octave 1. Le son est harmonieux car les notes mi 1 et sol 1 de l accord renforcent les harmoniques mi (quinte correspondant à une fréquence de 325 Hz soit 5*65) et sol (tierce correspondant à la fréquence 195 Hz soit 3*65) de la note do. NOTE Octave 1 Octave 2 Octave 3 Octave 4 Do Do # Ré Ré # Mi Fa Fa # Sol Sol # La La # Si Do L.T. Catalins page 5/7

6 DOCUMENT ELEVE ONDES ET INSTRUMENTS DE MUSIQUE Objectifs : Déterminer la nature des ondes émises par instrument de musique. A. Guitare et diapason quelle est la différence? Avec ma guitare je fais des Matériel disponible : Guitare, oscilloscope, microphone à électrets, alimentation continue 0-12 V Mettre en place un dispositif permettant d enregistrer le son émis par la guitare. Appel professeur pour valider le montage Quelle est la grandeur vibratoire associée à une onde sonore? Quel est le rôle du microphone? Compléter le schéma suivant : Grandeur d entrée Microphone Grandeur de sortie Réaliser l enregistrement du son émis lorsque vous grattez la corde n 6 tout en appuyant avec un doigt sur la case n 5. (Voir Annexe). Commenter le signal obtenu. Quelles sont les grandeurs caractéristiques du signal. Appel professeur Proposer une méthode pour déterminer la valeur précise de la grandeur demandée par le professeur (la grandeur demandée par le professeur est la période). Appel professeur Réaliser la mesure. Réaliser l enregistrement du son émis par un diapason puis par la corde de guitare n 1. Répondre aux mêmes questions que précédemment. Présenter vos résultats dans un tableau. Comparer l allure des signaux obtenus L.T. Catalins page 6/7

7 B. Vibration d une corde de guitare et son émis A l aide d un montage expérimental adapté, on peut forcer une corde de guitare à vibrer à une fréquence désirée. Selon vous, que se passe-t-il si l on fait vibrer la grosse corde de Mi de la guitare à la fréquence f Mi mesurée précédemment? Même question si l on fait vibrer la même corde mais à des fréquences différentes. Le montage expérimental est proposé à la suite. L amplificateur permet d obtenir un courant électrique d une intensité proche de 0,5 A. Rp est une résistance de protection de 10 Ω. Réaliser le montage suivant. GBF Amplificateur de puissance A Rp Aimant Appel professeur pour vérification du montage Noter vos observations. Appel professeur Conclure. C. Spectre du signal et timbre d un instrument Réaliser l enregistrement du son émis par la guitare (gratter la plus grosse corde) sur 20 à 30 périodes du signal. A l aide du document d aide, obtenir le spectre du signal. Commenter le spectre obtenu et comparer le à celui obtenu avec le diapason. Le son émis par le diapason est un son pur. Proposer une définition d un «son pur». Le son émis par la guitare est un son complexe. Proposer une définition d un «son complexe». Ces deux sons se distinguent par leur timbre. De quoi dépend le timbre d un son? L.T. Catalins page 7/7