Les instruments de musique PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES

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1 Les instruments de musique Mots-clefs : Instruments à cordes, à vent et à percussion. Contexte du sujet : Parmi les sons que nous percevons, les sons musicaux sont parmi les plus agréables. A l aide du film «C est pas Sorcier : l orchestre», des documents et du site : observons quelques instruments de musique pour identifier les principes qui leur permettent de produire des sonorités très diverses. PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES I Les instruments de musique Les instruments de musique 1 C. Grange-Reynas

2 A partir des différents documents, répondre aux questions 1. Qu est-ce qu un orchestre? 2. Comment sont disposées les différentes familles d instruments de musique dans un orchestre symphonique et sur quel principe? 3. Quelles sont les trois familles d'instruments que l on trouve dans un orchestre? 4. Nommer l instrument qui donne le «la» de référence dans un orchestre et préciser ce choix. 5. Pourquoi les instrumentistes doivent s accorder? Pour décrire les sons, les musiciens leur associent des caractéristiques telles que la hauteur, le timbre et l intensité. Nous allons rappeler les grandeurs physiques qui permettent de définir un son et considérer leurs effets sur notre perception auditive. (Cf. Acoustique musicale) 6. Quel est le domaine des fréquences audibles pour l'oreille humaine? 7. Comment qualifie-t-on les sons en dehors de ce domaine? 8. Quelles sont les grandeurs qui peuvent caractériser un son? 9. Définir la fréquence d un son. 10. Qu'est ce que la hauteur d un son? 11. Indiquer la fréquence du «do 2» : 12. Indiquer la fréquence du «la 3» : 13. Indiquer quelle est la note la plus «aigüe». 14. Pourquoi des sons de même hauteur, émis par des instruments différents ne sont-ils pas perçus de la même manière par notre oreille? 15. Qu'appelle-t-on timbre d'un son? 16. Pourquoi le La 442 Hz n est pas perçu identiquement selon l instrument qui l émet? 17. Indiquer le nombre d harmoniques dans les notes jouées par une flûte et par une clarinette. 18. Compléter la phrase : un «son» est composé Indiquer le nombre de «do» figurant sur un piano. 20. Indiquer la tessiture d un piano. 21. Indiquer la tessiture d une contrebasse. 22. Donner la définition de tessiture 23. Qu est-ce qu une octave? une gamme? (Cf. La musique est une science - Gammes et harmonies) II La production d un son : VIBRATION ET EMISSION La première fonction que remplit un instrument de musique est de vibrer. Cette vibration est à l origine du son émis et est assuré par l excitateur. Par exemple, lorsqu ils jouent de leur instrument, un guitariste pince les cordes de sa guitare, un violoniste frotte celles de son violon, un trompettiste souffle dans l embouchure de sa trompette. Toutes ces actions ont un même effet : provoquer la vibration d une partie de leur instrument afin d émettre un son. La vibration seule de l excitateur ne suffit pas pour émettre un son audible. L excitateur doit être couplé à un résonateur pour que le son produit puisse être audible. Les instruments de musique 2 C. Grange-Reynas

3 Par exemple, pour la trompette, le résonateur est le corps de l instrument. Pour le violon, c est la caisse (appelée table d harmonie). Pour la guitare, c est également la caisse ou bien un système d amplification dans le cas des guitares électriques. 24. Donner les grandes «étapes» expliquant la production d un son par un instrument de musique et la perception de ce son par l oreille humaine. III Fonctionnement d un instrument à cordes : La guitare Une guitare classique comporte six cordes de diamètres différents tendues parallèlement le long du manche entre le chevalet et le sillet. Les clés permettent de tendre les cordes en acier et donc d accorder la guitare. Une corde pincée et qui vibre est capable de mettre l air en vibration. La table d harmonie percée d une rosace joue le rôle de caisse de résonance : elle amplifie le son et permet de le rendre audible. En appuyant sur les frettes du manche de la guitare, le musicien modifie la longueur des cordes et peut ainsi jouer différentes notes sur une même corde. Les instruments de musique 3 C. Grange-Reynas

4 Chaque corde, de longueur L = 64,4 cm à vide, peut jouer une seule note. Les cordes, pincées à vide, jouent les notes suivantes : Corde Note f(hz) 1 (la plus épaisse) Mi 1 82,4 2 La 1 110,0 3 Ré 2 146,8 4 Sol 2 196,0 5 Si 2 246,9 6 (la plus fine) Mi 3 329,6 Pour jouer les différentes notes possibles sur une corde, on pose le doigt sur une case. La corde est alors raccourcie à une longueur L, distance entre la frette située plus bas sur le manche et le chevalet. La guitare joue alors une note plus aigüe. Remarque : Il existe différentes manières de faire vibrer les cordes d un instrument : les cordes du piano sont frappées par de petits marteaux, les cordes du violon ou du violoncelle sont frottées avec un archet. 25. Sur cette guitare, identifier les éléments participant à la formation d une onde sonore. IV Fonctionnement d un instrument à vent : La clarinette La clarinette est un instrument à vent. Le souffle du musicien dans le bec et le corps de l instrument met en vibration une lame mince de roseau appelée anche. Les vibrations de l anche sont transmises à la colonne d air dans le corps de l instrument. C est le corps de la clarinette qui joue le rôle de caisse de résonance. En changeant la longueur de la colonne d air à l aide de clefs métalliques, le musicien peut modifier la fréquence des vibrations. L excitateur est le sifflet, le résonateur est le tuyau Les instruments de musique 4 C. Grange-Reynas

5 V Fonctionnement d un instrument à percussion : Le tambour On frappe sur la peau d un tambour : les vibrations sont transmises à la caisse du tambour qui met en mouvement les couches d air, produisant un son : l excitateur est la peau du tambour, le résonateur est la caisse du tambour. Un instrument à percussion est un instrument de musique dont l émission résulte de la frappe ou du grattage d une membrane ou d un matériau résonant. PARTIE B : ACTIVITE EXPERIMENTALE I - Le diapason Il a été imaginé en 1711 par un luthiste Anglais pour donner aux musiciens une note de référence, en général le La 3 de fréquence 440 Hz. Faire vibrer un diapason en le tenant à la main et en le posant sur la caisse de résonance 1. Explique comment est constitué un diapason en mettant en évidence le rôle complémentaire joué par ses deux parties. 2. Retrouver la valeur de la fréquence du La3 en utilisant un logiciel permettant d obtenir la décomposition de Fourier Ouvrir Audacity puis Fichier Ouvrir - Fichier enregistré du son émis par le diapason Décomposition de Fourier : Analyse Tracer le spectre 3. Quelle est l allure de la courbe s(t) obtenue? Avant de tracer le spectre, à l aide la loupe, grossir une partie du signal et l observer 4. Déterminer la période puis la fréquence de cette onde périodique 5. Le son émis par un diapason est appelé son pur. Qu'est-ce qu'un son pur? 6. Que représente le pic observé dans le mode spectre pour le diapason? Enregistrer, avec une intensité sonore suffisante, la voyelle «a» avec Audacity ou utiliser le fichier pré-enregistré. 7. Quelle différence fondamentale existe-t-il entre les spectres du diapason et du «a»? 8. Déterminer, à l aide du curseur, les abscisses des pics observés. Que remarque-t-on? 9. Le «a» est-il un son pur? Les instruments de musique 5 C. Grange-Reynas

6 Les instruments de musique - CORRECTION Mots-clefs : Instruments à cordes, à vent et à percussion. Contexte du sujet : Parmi les sons que nous percevons, les sons musicaux sont parmi les plus agréables. A l aide du film «C est pas Sorcier : l orchestre», des documents et du site : observons quelques instruments de musique pour identifier les principes qui leur permettent de produire des sonorités très diverses. PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES I Les instruments de musique Nathan p.62 A partir des différents documents, répondre aux questions 1. Qu est-ce qu un orchestre? Un orchestre est un ensemble de plusieurs musiciens jouant ensemble le même morceau. 2. Comment sont disposées les différentes familles d instruments de musique dans un orchestre symphonique et sur quel principe? Les instruments de musique sont disposés en arc de cercle dans l orchestre sur le critère de l intensité sonore. Sur l avant on place les instruments les moins puissants, les cordes, derrière les instruments à vents et dans le fond les instruments les plus puissants, les percussions. 3. Quelles sont les trois familles d'instruments que l on trouve dans un orchestre? Les instruments de musique sont classés en trois catégories: 4. Nommer l instrument qui donne le «la» de référence dans un orchestre et préciser ce choix. La note de référence est le La 442 Hz toujours donné par le Hautbois car c est l instrument qui se désaccorde le moins. 5. Pourquoi les instrumentistes doivent s accorder? Les instrumentistes doivent s accorder car les caractéristiques physiques des instruments varient en fonction de la température et de l humidité ambiante. Il faut donc recaler tous les instruments sur une même note. Pour décrire les sons, les musiciens leur associent des caractéristiques telles que la hauteur, le timbre et l intensité. Nous allons rappeler les grandeurs physiques qui permettent de définir un son et considérer leurs effets sur notre perception auditive. (Cf. Acoustique Musicale) 6. Quel est le domaine des fréquences audibles pour l'oreille humaine? Les fréquences audibles par une oreille dite «normale» sont comprises entre 20 Hz et 20 khz, ces valeurs évoluant d un individu à l autre et pour une même personne, avec l âge. Les instruments de musique 6 C. Grange-Reynas

7 7. Comment qualifie-t-on les sons en dehors de ce domaine? On appelle infrasons les sons de fréquence inférieure à 20 Hz. Les ultrasons, de fréquences supérieures à 20 khz, ne constituent pas un son musical, du moins pour l Homme. 8. Quelles sont les grandeurs qui peuvent caractériser un son? (Cf. Acoustique musicale) Un son musical a trois caractéristiques : sa hauteur, caractérisée par sa fréquence f 1, appelée aussi fréquence fondamentale ; son timbre, auquel nos oreilles sont sensibles, qui en font un son plus ou moins harmonieux, caractérisé par l allure du signal sonore et/ou par son spectre ; son intensité, traduisant un son plus ou moins fort, caractérisée par son intensité sonore (I en W.m -2 ) ou le niveau d intensité sonore (L en db), qui est accessible par une mesure au sonomètre. 9. Définir la fréquence du son. La fréquence représente le nombre de vibrations engendrées par le corps sonore en 1 seconde. La fréquence est désignée par la lettre f et son unité est l'hertz (Hz). On appelle la bande passante d'un objet, l'écart de fréquence (fréquences minimum à maximum) que peut émettre, recevoir ou garantir, etc. un appareil ou objet dans les limites d'une certaine qualité. Quelques exemples : - Les sons produits par la voix humaine sont compris environ entre 50 et 1000 Hz. - Les physiologistes s'accordent à dire que l'oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ (selon l'âge, la culture, etc.), entre 20 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 khz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons). En moyenne un homme perd Hz tous les dix ans. A 20 ans une personne entend jusqu'à Hz, à trente il entendra jusqu'à Hz. C'est pour cette raison qu'une personne âgée ne sait plus qui parle, elle n'entend pas les harmonies qui caractérise la voie de chacun. (Elle entend un brouaa de basse). 10. Qu'est ce que la hauteur d un son? La hauteur d'un son est liée à la fréquence du fondamental de la vibration sonore. Deux sons de même fréquence ont la même hauteur ; un son aigu a une fréquence élevée et un son grave a une fréquence basse. La hauteur du son augmente avec la fréquence du son. Un son est d autant plus haut (aigüe) que sa fréquence est élevée. 11. Indiquer la fréquence du «do 2» : 261 Hz 12. Indiquer la fréquence du «la 3» : 442 Hz. 13. Indiquer quelle est la note la plus «aigüe». La note la plus aigüe est celle qui a la fréquence la plus grande soit le «la 3». Les instruments de musique 7 C. Grange-Reynas

8 14. Pourquoi des sons de même hauteur, émis par des instruments différents ne sont-ils pas perçus de la même manière par notre oreille? La même note jouée par deux instruments différents procure des sensations sonores différentes parce qu ils n ont pas le même timbre. 15. Qu'appelle-t-on timbre d'un son? Le timbre est la qualité du son qui permet, à l'oreille, de distinguer deux notes de même hauteur jouée par deux instruments différents. 16. Pourquoi le La 442 Hz n est pas perçu identiquement selon l instrument qui l émet? Cela s explique par la superposition des différentes harmoniques. Ils ont tous la même fréquence de base, ce que l on appelle la fondamentale, mais est associée à cette fondamentale, un cocktail d ondes de fréquences multiples de cette fondamentale. Ce qui change entre les instruments, c est qu ils ne possèdent pas le même cocktail d ondes. 17. Indiquer le nombre d harmoniques dans les notes jouées par une flûte et par une clarinette. La flûte a une douzaine d harmoniques alors que la clarinette en a une trentaine. 18. Compléter la phrase : un «son» est composé d un mélange de plusieurs ondes sonores de fréquences égales ou multiples d une fréquence de base dite fréquence fondamentale. Les fréquences sont appelées harmoniques. 19. Indiquer le nombre de «do» figurant sur un piano : Indiquer la tessiture d un piano : 7,5 octaves 21. Indiquer la tessiture d une contrebasse : 2,5 octaves 22. Donner la définition de tessiture La tessiture d un instrument est l étendue des notes qu un instrument peut jouer du plus aigu au plus grave (étendue d octaves de cet instrument). Les voix des chanteurs sont classées des plus graves aux plus aigus. On distingue : Basse du fa 1 au fa Baryton du la1 au la Ténor du do2 au do Soprano du do3 au do Qu est-ce qu une octave? une gamme? (Cf. Gammes et harmonies) En musique, une octave est l intervalle séparant deux sons dont la fréquence fondamentale du plus aigu est le double de celle du plus grave. Divisée en plusieurs sous-intervalles, elle permet de définir les gammes. II La production d un son : VIBRATION ET EMISSION La première fonction que remplit un instrument de musique est de vibrer. Cette vibration est à l origine du son émis et est assuré par l excitateur. Par exemple, lorsqu ils jouent de leur instrument, un guitariste pince les cordes de sa guitare, un violoniste frotte celles de son violon, un trompettiste souffle dans l embouchure de sa trompette. Toutes ces actions ont un même effet : provoquer la vibration d une partie de leur instrument afin d émettre un son. Les instruments de musique 8 C. Grange-Reynas

9 La vibration seule de l excitateur ne suffit pas pour émettre un son audible. L excitateur doit être couplé à un résonateur pour que le son produit puisse être audible. Par exemple, pour la trompette, le résonateur est le corps de l instrument. Pour le violon, c est la caisse (appelée table d harmonie). Pour la guitare, c est également la caisse ou bien un système d amplification dans le cas des guitares électriques. 24. Donner les grandes «étapes» expliquant la production d un son par un instrument de musique et la perception de ce son par l oreille humaine. Vibration mécanique (excitateur) Caisse de résonance (résonateur) Air (variation de pression) Oreille Pour produire un son, un instrument de musique doit remplir deux fonctions : vibrer et émettre La voix peut être considérée comme un instrument. En effet, les cordes vocales (excitateur) vibrent et mettent en vibration l air contenu dans le pharynx, le larynx et la bouche (résonateur) qui produisent le son. III Fonctionnement d un instrument à cordes : La guitare Les instruments de musique 9 C. Grange-Reynas

10 Une guitare classique comporte six cordes de diamètres différents tendues parallèlement le long du manche entre le chevalet et le sillet. Les clés permettent de tendre les cordes en acier et donc d accorder la guitare. Une corde pincée et qui vibre est capable de mettre l air en vibration. La table d harmonie percée d une rosace joue le rôle de caisse de résonance : elle amplifie le son et permet de le rendre audible. En appuyant sur les frettes du manche de la guitare, le musicien modifie la longueur des cordes et peut ainsi jouer différentes notes sur une même corde. Chaque corde, de longueur L = 64,4 cm à vide, peut jouer une seule note. Les cordes, pincées à vide, jouent les notes suivantes : Corde Note f(hz) 1 (la plus épaisse) Mi 1 82,4 2 La 1 110,0 3 Ré 2 146,8 4 Sol 2 196,0 5 Si 2 246,9 6 (la plus fine) Mi 3 329,6 Pour jouer les différentes notes possibles sur une corde, on pose le doigt sur une case. La corde est alors raccourcie à une longueur L, distance entre la frette située plus bas sur le manche et le chevalet. La guitare joue alors une note plus aigüe. Remarque : Il existe différentes manières de faire vibrer les cordes d un instrument : les cordes du piano sont frappées par de petits marteaux, les cordes du violon ou du violoncelle sont frottées avec un archet. Les instruments de musique 10 C. Grange-Reynas

11 25. Sur cette guitare, identifier les éléments participant à la formation d une onde sonore. La corde est pincée, elle vibre la vibration est amplifiée par la caisse de résonance. La longueur de la corde et la variation de la tension mécanique permettent de produire des ondes différentes. IV Fonctionnement d un instrument à vent : La clarinette La clarinette est un instrument à vent. Le souffle du musicien dans le bec et le corps de l instrument met en vibration une lame mince de roseau appelée anche. Les vibrations de l anche sont transmises à la colonne d air dans le corps de l instrument. C est le corps de la clarinette qui joue le rôle de caisse de résonance. En changeant la longueur de la colonne d air à l aide de clefs métalliques, le musicien peut modifier la fréquence des vibrations. L excitateur est le sifflet, le résonateur est le tuyau V Fonctionnement d un instrument à percussion : Le tambour On frappe sur la peau d un tambour : les vibrations sont transmises à la caisse du tambour qui met en mouvement les couches d air, produisant un son : l excitateur est la peau du tambour, le résonateur est la caisse du tambour. Un instrument à percussion est un instrument de musique dont l émission résulte de la frappe ou du grattage d une membrane ou d un matériau résonant. PARTIE B : ACTIVITE EXPERIMENTALE I - Le diapason Il a été imaginé en 1711 par un luthiste Anglais pour donner aux musiciens une note de référence, en général le La 3 de fréquence 440 Hz. Faire vibrer un diapason en le tenant à la main et en le posant sur la caisse de résonance 1. Explique comment est constitué un diapason en mettant en évidence le rôle complémentaire joué par ses deux parties. Le diapason est constitué de deux lames (branches) épaisses parallèles, soudées en forme de U et prolongées par une tige. Les branches en métal élastique (usuellement l'acier) en vibrant émettent un son à la fréquence étalonnée ; ce son est amplifié si l on pose la base du diapason sur une cavité résonnante, comme la caisse d une guitare, ou sur une table. Les instruments de musique 11 C. Grange-Reynas

12 2. Retrouver la valeur de la fréquence du La 3 en utilisant un logiciel permettant d obtenir la décomposition de Fourier Ouvrir Audacity puis Fichier Ouvrir - Fichier enregistré du son émis par le diapason Décomposition de Fourier : Analyse Tracer le spectre Les instruments de musique 12 C. Grange-Reynas

13 Crête = 441 Hz Utilisation de Regavi (difficile en classe : Regavi n est pas installé et les PC n ont pas de micro) Enregistrer le son émis par le diapason dans Regavi en utilisant le fichier diapason.wav Enregistrer le son émis par le diapason dans Regavi en utilisant le fichier diapason.wav Enregistrer le son émis par un diapason. Sélectionner une partie du signal sonore obtenu à l aide des curseurs bleu turquoise (environ 1,4 s) et sauver sous Regressi avec comme commentaire «diapason». Remarque : Les curseurs sont placés aux extrémités de l écran. Utilisation d OrphyLab pour enregistrer le son émis par le diapason et le traiter avec Régressi 3. Quelle est l allure de la courbe s(t) obtenue? Avant de tracer le spectre, à l aide la loupe, grossir une partie du signal et l observer. La courbe s(t) est une sinusoïde. Les instruments de musique 13 C. Grange-Reynas

14 4. Déterminer la période puis la fréquence de cette onde périodique T = 0,002 s d où f = 500 Hz (Audacity est très peu précis pour déterminer la période) T = 241,5 239,2 = 239,2 236,9 = 2,3 ms d où f = 435 Hz 5. Le son émis par un diapason est appelé son pur. Qu'est-ce - qu'un son pur? Un son pur est constitué d une seule sinusoïde et possède une seule fréquence dans la décomposition de Fourier. Un son pur est caractérisé par une fréquence unique et une amplitude. Dans la nature, il y a rarement un son pur, mais plus souvent un mélange de fréquences. Un son est donc le plus souvent la résultante de sons simples qui le composent. C'est le cas du langage humain. Le «La» du diapason est un son pur, il a une fréquence de 440 Hz 6. Que représente le pic observé dans le mode spectre pour le diapason? Le pic observé représente la fréquence de la sinusoïde qui compose le son du diapason Les instruments de musique 14 C. Grange-Reynas

15 Enregistrer, avec une intensité sonore suffisante, la voyelle «a» avec Audacity ou utiliser le fichier pré-enregistré. Avec Regavi Sélectionner environ 100 ms du «a» ; sauver sous Regressi comme nouvelle page avec pour commentaire le prénom de l expérimentateur suivi de a. Faire l analyse de Fourier du «a». 7. Quelle différence fondamentale existe-t-il entre les spectres du diapason et du «a»? L enregistrement du diapason présente une simple sinusoïde et le spectre contient une seule fréquence alors que celui du «a» est une courbe plus complexe (somme de plusieurs sinusoïdes) et la transformée de Fourier contient la fondamentale et ses harmoniques. Les instruments de musique 15 C. Grange-Reynas

16 8. Déterminer, à l aide du curseur, les abscisses des pics observés. Que remarque-t-on? On remarque que chaque pic est un multiple du premier : 269 x 2 = 538 ; 269 x 3 = 807 ; 269 x 4 = Le «a» est-il un son pur? Le son «a» contient des harmoniques donc le son «a» n est pas un son pur. Compléments d informations Grandeurs caractéristiques d'un son musical Le nombre de perturbations qui se reproduisent en une seconde est appelé fréquence et s exprime en Hertz (symbole Hz). Plus la fréquence d un son est élevée, plus le son est aigu, plus elle est basse plus le son est grave. Un son peut être «pur» ou «impur», c est à dire composé d un seul son ou de plusieurs. On peut alors tracer ce qu on appelle un «spectre», c est à dire l amplitude de chaque son en fonction de la fréquence : Amplitude Son pur Amplitude Spectre du son pur Temps Fréquence Les instruments de musique 16 C. Grange-Reynas

17 Amplitude Son impur Amplitude Spectre du son impur Temps Fréquence Une propriété étonnante : la fréquence d un son impur est égale à celle du son le plus grave qu il contient! Ce qu il faut retenir : Les instruments de musique sont classés en trois catégories: Les instruments à corde Les instruments à vent Les instruments à percussion Pour produire un son, un instrument de musique doit remplir deux fonctions : vibrer et émettre. Le diapason émet un son qui est amplifié par la cavité résonnante Il émet un son pur c est-à-dire qui ne contient que le fondamental (transformée de Fourier) Les instruments de musique 17 C. Grange-Reynas