Domaine d'étude 2: Emetteur et récepteur

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1 Etude du niveau sonore Domaine d'étude 2: Emetteur et récepteur Mots clés : Enceintes acoustiques, auditorium, Sommaiire Principe : Atténuation du niveau sonore en fonction de la distance par rapport à la source Montage: Mode opératoire: Exploitation des résultats: Réponse en fréquence d'un haut parleur, mesure de ça bande passante Principe : Montage: Mode opératoire: Exploitation des résultats: Problème: Haut-parleur dans une foire SOS (1): SOS (3): Annexe: GBF 1 haut parleur 1 sonomètre Matériel : 1 règle de 1m 1 plaque de mousse alvéolaire 1 chariot élévateur Principe : C'est une évidence de dire "plus on s'éloigne moins on en tend". Plus rigoureusement, une source sonore est caractérisée principalement par un niveau sonore (ou niveau acoustique), en décibel (db) défini par la relation: I LdB = 10 log avec I 0 = W.m -2 I 0 Comment évolue le niveau L en fonction de son éloignement de la source? On mesure L directement avec un sonomètre. Sur le principe, il suffit donc de mesurer L à diverses distances d'une source pour avoir la réponse (voir fig.1). La réalisation pratique est plus délicate pour les raisons suivantes: 1) Le sonomètre est constitué d'un microphone et d'une électronique de traitement. Le microphone est un convertisseur qui transforme une pression sonore en tension électrique en Volt (V). il capte tous les sons qui l'entourent ce qui impose pendant la mesure le plus grand silence et aucun mouvement. 2) La sensibilité du microphone (en V/Pa) dépend de la fréquence et, pour chaque fréquence, de la direction du son; ce qui complique les choses (voir fig.2). C'est pourquoi la tolérance de mesure de l'appareil est de ± 2 db (voir la notice technique). Ce n'est pas gênant sur une mesure de niveau de 60 ou 70 j f C'est dans l'effort que l'on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire. 1/6

2 db mais devient important sur une faible différence, de niveau de quelques db, L 2 L 1, comme dans le cas d'une atténuation. En générale la sensibilité est stable en basse fréquences (10 à 102 Hz), ca qui est de plus supportable. Les échos et réverbérations doivent être réduits. On placera du coté du mur un matériau absorbant (mousse alvéolaire) pour limiter les réflexions diffuses (voir l'atelier "Réflexion d'une onde sonore"). 3) Un sonomètre courant est muni de deux positions: Position A: réponse de l'oreille Position C: réponse plate En position A, on mesure les db A et sur C, on mesure des db C (voir le Fig.3 et la fiche méthode du sonomètre). On choisira la position C qui évite la correction par filtre (environ 0 db entre 125 Hz et 2 khz). 4) Il faut une source sonore stable. 1. Atténuation du niveau sonore en fonction de la distance par rapport à la source. Montage: Réglages: GBF: f = 100 Hz en tension sinusoïdal Sonomètre: LO FAST C Mode opératoire: Régler le générateur Basse Fréquence sur 100Hz en tension sinusoïdal. Placer le sonomètre sur un chariot élévateur de telle façon que le microphone soit en face du centre du gros haut parleur. Placer la mousse alvéolaire côté mur. Approcher le microphone à 5 cm de l'enceinte avec la règle. Régler le niveau du GBF pour avoir à cette distance environ 80 db C, qui sera le niveau de référence. ATTENTION!.On se place derrière le sonomètre, sans parler ni bouger, et on attend la stabilisation de à ± 1 db près. Reculer le sonomètre aux distances indiquées dans le tableau et mesurer pour chacune d'entre elle la valeur du niveau sonore. Regrouper les résultats dans le tableau. Distance (en cm) Niveau sonore (en db) Exploitation des résultats: a) Calculer les différences: L 5 -L 10 ; L 10 L 20 ; L 20 -L 40. b) Faire une moyenne arithmétique des différences en arrondissant à l'unité près, compte tenu des tolérances. c) Soit L d, le niveau acoustique à la distance d de la source. Soit L 2d, le niveau acoustique à la distance 2d de la source. Etablir la relation: L 2d = L d 6 db à partir de la définition du niveau sonore. ( SOS (1)) j f C'est dans l'effort que l'on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire. 2/6

3 2. Réponse en fréquence d'un haut parleur, bande passante. Principe : Une enceinte acoustique comprend un ou plusieurs haut-parleurs afin de couvrir au mieux toute la plage des fréquences audibles, entre 20 Hz et Hz. En effet, chaque hautparleur présente une bande passante, autrement dit un intervalle de fréquence de meilleure utilisation (le niveau d'intensité acoustique y est moins atténué). Un haut-parleur de qualité doit être capable de reproduire les sons de diverses fréquences avec une intensité convenable. La courbe de réponse en fréquence et la bande passante qui s en déduit définissent cette caractéristique. Réponse en fréquence d'un haut-parleur: On cherche à savoir si la fréquence du son émis a une conséquence sur le niveau d'intensité sonore émis par un haut-parleur. d) Quel appareil peut alimenter le haut-parleur, tout en permettant le choix de la fréquence de la tension? e) Quelles seront les valeurs maximale et minimale de fréquence à utiliser? Justifier. f) Quel autre paramètre de la tension d'alimentation peut être modifié? Pourquoi faut-il faire en sorte que la valeur de ce dernier soit maintenue constante si l'on cherche à étudier la réponse en fréquence d'un hautparleur? Montage: Réglages: GBF: f = 100 Hz en tension sinusoïdal et 0,5 V Sonomètre: HI FAST C et à 10 cm du HP Mode opératoire: Rémi, élève de Terminale S, à réalisé la manipulation suivante. Il compte sur vous pour l'aider à répondre aux questions. Courbe de réponse en fréquence: Il a reproduit le même montage que celui de la partie 1) en ajoutant un voltmètre afin de mesurer l'amplitude du signal délivré par le GBF et de pouvoir corriger les réglages afin de le conserver constant. Il a veillé à maintenir la tension à 0,5 V pour chaque fréquence. Il a réglé le GBF en tension sinusoïdale f = 50 Hz, puis placé le sonomètre dans l axe du haut-parleur à 10 cm de celui-ci. Il a régler le sonomètre en mode : «Range : Hi» ; «Response : F» ; «Funct : C». Il a fait varier la fréquence du GBF entre 50 et Hz et réglé l amplitude de la tension sinusoïdale du GBF pour que le niveau d intensité sonore L mesuré par le sonomètre ne dépasse pas 100 db. Pour chaque valeur de la fréquence f, il a relevé le niveau d intensité sonore L sur le sonomètre. L'ensemble de ces résultats sont donnés dans le tableau en annexe (voir annexe) correspondant aux mesures relevées pour plusieurs couples (f; L). Tracé: Tracer la courbe de réponse du haut-parleur, c est-à-dire le niveau d intensité sonore L en fonction de la fréquence f sur un papier semi-logarithmique (voir annexe). Relier les points en lissant la courbe. L échelle logarithmique en fréquence permet une représentation graphique sur une large gamme de fréquences. Graduer l axe du niveau d intensité sonore entre 50 db et 100 db. Tracer une droite parallèle à l'axe des abscisses, qui représente un niveau d'intensité acoustique de valeur L max - 3 db j f C'est dans l'effort que l'on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire. 3/6 10cm

4 Exploitation des résultats: Sur la courbe de réponse du haut-parleur ainsi construite: g) Décrire sommairement la courbe obtenue correspondant à votre haut-parleur. h) Indiquer la valeur maximale L max du niveau d'intensité acoustique; i) Repérer sur la courbe les points qui correspondent aux intersections de cette droite et de la courbe de réponse du haut-parleur; Noter les deux valeurs de fréquence f min et f max correspondantes. j) L'intervalle [f min ; f max l correspond à la bande passante du haut-parleur. Indiquer la bande passante de ce haut-parleur. Bande passante d un haut-parleur: Les graphes ci-contre sont les courbes de réponse en fréquence de trois haut-parleurs. Un boomer (ou woofer) est un haut-parleur dont la bande passante est située dans les basses fréquences. Il restitue essentiellement les sons graves. Un médium restitue les sons de fréquences moyennes. Un tweeter restitue les sons aigus. k) Les haut-parleurs de référence DE35, 8PE21 et 12PS100 sont-ils des boomers, des médiums ou des tweeters? l) À quelle catégorie le haut-parleur étudié appartient-il? m) Pourquoi la bande passante d un haut-parleur ne peutelle être définie par une valeur unique de niveau d intensité sonore? 3. Problème: Haut-parleur dans une foire. Dans une foire, on a installé un stand à proximité d'un haut-parleur qui émet de la musique. Ce haut-parleur est placé au sommet d'un poteau vertical de hauteur h = 4,0 m; il est considéré comme une source acoustique S d'ondes sphériques, de puissance sonore P l = 1, W. Données: Seuil d'audibilité à 1000 Hz: I 0 = 1, W m -2 Intensité acoustique: I = P / S, avec P la puissance acoustique en W, et S la surface, en m². Pour une onde sphérique: S =4.Π.d², avec d la distance entre la source et le récepteur. Dans le cas de deux émissions sonores simultanées dont les niveaux d'intensité sont séparés de 8 db au minimum, le son le plus faible devient imperceptible. 1. La personne A, responsable du stand, est assise et a ses oreilles qui se trouvent en M 1, situé à une hauteur h 0 = 1,10 m du sol et à la distance d = 3,90 m du poteau support du haut-parleur. a) Calculer l'intensité acoustique I 1, reçue par la personne A. ( SOS (3)) b) En déduire le niveau d'intensité sonore L, perçu cette personne. 2. Une deuxième personne B vient s'asseoir au stand pour demander un renseignement. La conversation à deux est de niveau d'intensité sonore normale, d'environ L conv = 70 db. a) Déterminer le niveau d'intensité sonore maximal L 2 qui doit provenir du haut-parleur pour que les deux personnes puissent s'entendre sans être gênées par la musique. ( SOS (3)) b) En déduire l'intensité acoustique I 2 maximale correspondante. c) Exprimer la puissance acoustique maximale P 2 du haut-parleur correspondante en fonction de P 1. En déduire sa valeur. ( SOS (3)) j f C'est dans l'effort que l'on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire. 4/6

5 SOS (1): P On part de la définition de l'intensité sonore: I = S avec P en W ; S en m² ; I en W/m² Et on se place dans le cas simple où S est une sphère de rayon d, on a: S = 4 Π d² P K P D'où: I = = où K = = constante puisque la source est la même. 4Πd² d² 4Π i. Remplir le tableau suivant: si d 2d S. I. ii. Remplacer I à la distance d par sa nouvelle valeur à la distance 2d dans la formule: I Ld = 10 log L 2d =.. I iii. Puis appliquer une propriété de la fonction log tel que: en faisant apparaître L d dans la formule L 2d. 0 a log log(a) log(b) b = SOS (3): 1.a) Pour déterminer la distance D entre l'émetteur et le récepteur, faire un schéma de la situation et utiliser le théorème de Pythagore. 2.a) L conv doit être séparé de L 2 d'une certaine valeur, indiquée dans les données. 2.c) La surface de l'onde sphérique est la même que dans 1.a) j f C'est dans l'effort que l'on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire. 5/6

6 Nom(s): Annexe: f (Hz) L (db) f (Hz) L (db) L (db) f (Hz) j f C'est dans l'effort que l'on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire. 6/6