Mots clés : casque audio (haut-parleur), microphone, enceintes acoustiques Activité 1. ETUDE D UN TRANSDUCTEUR ELECTRO-ACOUSTIQUE : LE HAUT-PARLEUR Act. Expérimentale 1 ère partie : COMMENT FONCTIONNE UN HAUT-PARLEUR? DOCUMENTS : Doc 1. Définitions : Transducteurs : Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre. Un transducteur électro-acoustique est un dispositif transformant un signal électrique en un signal sonore (ou un signal sonore en signal électrique. Mais on parle alors plutôt de transducteur acousto-électrique) Doc 2. Doc 3. Membrane Saladier obine Pôle Nord de l aimant Pôle Nord de l aimant Pôle Sud de l aimant Doc 5. Pôle Sud de l aimant (radial) obine Doc 4. Doc 7.Champ magnétique créé par un aimant Doc 6. La règle des 3 doigts (de la main DROITE) Cas d un aimant en U Cas d un aimant droit Ch4 TP haut-parleur- 1/8
Découverte de la force de Laplace RREEAA On dispose d une maquette «force de Laplace» (voir ci-contre). Réalisez l expérience et vérifiez qu il est possible de faire bouger le rail conducteur sans le toucher! On considère un élément conducteur rectiligne CD, de longueur, parcouru par un courant d'intensité I et placé dans un champ magnétique uniforme. Cet élément est alors soumis à une force électromagnétique F, appelée force de Laplace, dont les caractéristiques sont les suivantes : son point d'application est le milieu M de l'élément CD ; sa direction est perpendiculaire au plan formé par l'élément CD le vecteur champ magnétique ; en notant l un vecteur parallèle à l'élément CD et orienté dans le sens du courant, le sens de la force F est tel que le trièdre ( l,,f ) soit direct figure ci-dessus la valeur de la force F est (en newton, N) : F = I x x x sin (pour infos) I : intensité du courant en ampère (A) ; : longueur de l'élément en mètre (m) ; : valeur du champ magnétique en tesla (T) ; : angle entre l et 1) En vous aidant du doc 6., ajoutez sur le schéma : le sens du courant qui circule dans la tige conductrice (fil conducteur) le vecteur champ magnétique créé par l aimant en U au voisinage de la tige associé au sens de la force de Laplace F représentée sur le schéma. 2) Que se passe-t-il si on change le sens de courant? Si l on change le sens du courant, la force de Laplace change aussi de sens donc la tige a un mouvement dans le sens de la force de Laplace donc dans le sens inverse. 3) Que se passerait-il si le courant était alternatif? Si le courant est alternatif, la tige aura un mouvement de va-et-vient : la force de Laplace conservera la même direction mais changera alternativement de sens. Ch4 TP haut-parleur- 2/8
Comment utiliser la force de Laplace pour générer une onde sonore? AANAA Matériel à disposition : - Fils électriques - Interrupteur - obine de fil électrique suspendue à un cadre métallique à l aide de ressorts - Aimant droit - Générateur de tension continue (U = 4,5 V) - GF (Tension d amplitude 8 V, de fréquence f variable) ATTENTION : on ne modifiera pas le réglage des amplitudes des tensions électriques délivrées par les générateurs. En vous inspirant des documents et de vos connaissances de tronc commun, utilisez le matériel à disposition pour générer un son audible. On expliquera le fonctionnement de ce «HP simplifié» en quelques phrases et à l aide des schémas ci-dessous (A compléter avec les symboles I, et F). 1. obine vue de face 2. obine vue de dessus F 3. obine vue de face 4. obine vue de dessus Imaginons que la face Nord de l aimant soit située au dessus : le champ magnétique est alors orienté du Nord au Sud donc vers le bas. D après la règle des 3 doigts de la main droite, la force de Laplace est dirigée vers l avant de la feuille. Elle sera représentée par un point dans un cercle. La face Nord de l aimant est toujours située au dessus. F D après la règle des 3 doigts de la main droite, la force de Laplace est dirigée vers l arrière de la feuille. ilan : Avec un GF, la bobine a un mouvement de va-et-vient. Quels sont les paramètres à faire varier pour obtenir un son +/- aigu? un son +/- fort? Utilisez le haut-parleur «réel» du labo (alimenté par un GF) et complétez les phrases suivantes : Pour obtenir un son plus aigu, il faut : diminuer augmenter la fréquence... AANAA Pour obtenir un son plus fort (plus intense), il faut : diminuer augmenter l amplitude de la tension. Ch4 TP haut-parleur- 3/8
Act. Exp.2 ème partie : Le HP du labo est-il plutôt un boomer, un medium ou un tweeter? Document. Les principales caractéristiques d un haut-parleur sont : - L impédancede sa bobine mobile (4 ou 8 généralement) - Sa puissance électrique maximale admissible (ou puissance de crête): sous peine de détérioration, on ne doit pas dépasser cette valeur. - Son rendement ou sensibilité : il représente la capacité du haut-parleur à transformer l énergie électrique en une grandeur acoustique, le niveau sonore, mesuré en d. L (d) - Sa bande passante : c est la bande de fréquences des sons audibles que le haut-parleur est capable de reproduire sans modification, sans perte notable du niveau acoustique (Par ex., la bande passante à 3 d est le domaine de fréquences pour lequel le niveau sonore est supérieur à (L max 3 d)). ande passante à -3 d f (Hz) La bande passante d un haut- parleur est étroitement liée à son diamètre. On distingue trois sortes de hauts-parleurs : 1- Les boomers (de grand diamètre > 15 cm) pour les sons graves (20 Hz à 500 Hz) 2- Les mediums pour les sons médium (150 à 3000 Hz pour les hauts de gamme) 3- Les tweeters (de petit diamètre : 2,5 cm) pour les sons aigus (2000 à 20 000 Hz) Matériel disponible : - valise acoustique (chambre sourde) - sonomètre - haut-parleur - GF - des fils. - papier semi-logarithmique (méthode d utilisation : voir fiche du livre de Spé p. 208) CCoomppéét teennccee AANAA Proposez un protocole expérimental qui vous permettra de répondre à la problématique. Vous préciserez le(s)paramètre(s) expérimentaux qu il est important de maintenir constant(s). Protocole expérimental Matériel : haut-parleur ; GF ; sonomètre, papier semi-logarithmique. À l'aide d'un sonomètre, on mesure le niveau d'intensité sonore L (en d) d'un son en fonction de sa fréquence f (en Hz), comprise entre 20 Hz et 20 khz, tout en maintenant l amplitude de cette tension constante (U = 0,1 V). Le sonomètre sera placé à 2 cm environ du haut-parleur. Conditions expérimentales : Haut-parleur de diamètre égal à 12 cm. U = 0,1 V. Distance d (sonomètre / haut-parleur) = 2 cm. Niveau de bruits de fond < 50 d. Ch4 TP haut-parleur- 4/8
Remarques : Cette manipulation doit être effectuée dans une salle très calme (l idéal serait de la faire en chambre sourde). Il faut donc avoir le silence complet dans sa classe ; Il faut placer le haut-parleur et le sonomètre de manière à avoir le moins de réflexions parasites sur des éléments de la salle (table, mur, plafond,...). Il vaut donc mieux mettre le sonomètre à la verticale du haut-parleur ; Cette manipulation est souvent désagréable car le son émis par le haut-parleur est, à certaines fréquences, très déplaisant. Valeurs expérimentales : f(hz) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 L(d) 29 28 32 35,5 41 47 52,8 57,7 61,8 73,9 74,3 79,3 83,6 84,9 84,3 85,5 84,4 f(hz) 600 700 800 900 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 12500 15000 20000 L(d) 85 85 87 88 86 83,6 83,5 84 89,2 88,9 92,2 91,2 90,4 83,5 73,8 47 24 Tracer sur une feuille semi-logarithmique, la courbe représentant le niveau sonore en fonction de la fréquence. Ch4 TP haut-parleur- 5/8
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SUITE DE L ETUDE : ASDS CCoomppéét teennccee AAPPPP 1. POURQUOI ENFERME-T-ON SOUVENT LES HAUTS-PARLEURS DANS DES ENCEINTES ACOUSTIQUES? La membrane d un haut-parleur fait vibrer l air devant elle mais aussi derrière elle. L onde arrière est déphasée de 180 par rapport à celle de devant. Quand l onde arrière rencontre l onde avant, elles s annulent. Le rendement d un haut-parleur est donc particulièrement mauvais quand il est utilisé seul. L enceinte supprime les vibrations arrière la plupart du temps : il s agit d une boîte hermétique, remplie ou capitonnée d un matériau absorbant, dont le but est d emprisonner l onde arrière et ainsi supprimer le court-circuit acoustique. Les trois principaux types d enceintes sont les suivants : Questions : 1) Qu est-il important d éviter lorsqu un haut-parleur génère une onde sonore? 2) Quels sont les trois principaux moyens d y parvenir avec une enceinte? 2. COMPARAISON DU FONCTIONNEMENT D UN HAUT- PARLEUR ET D UN MICROPHONE A l aide du document ci-dessous et de l animation micro.swf, comparer le principe de fonctionnement d un microphone à celui du haut-parleur. Ch4 TP haut-parleur- 7/8
ILAN Act.1. : Que retenir sur les émetteurs et récepteurs sonores? Un exemple d émetteur sonore : le haut-parleur Lorsqu on soumet le haut-parleur à une tension électrique sinusoïdale imposée par un GF, la bobine du hautparleur est parcourue par un courant électrique alternatif périodique. Soumise au champ magnétique créé par l aimant présent dans le haut-parleur, la bobine subit une force de Laplace qui change régulièrement de sens : Le sens de cette force est lié aux sens du courant et du champ magnétique : il est régi par la REGLE DES 3 DOIGTS (règle de la main DROITE). La bobine se met à osciller, entraînant avec elle la membrane du haut-parleur. obine et membrane vibrent simultanément, à la fréquence de la tension électrique appliquée aux bornes du hautparleur. Ces vibrations entraînent des compressions et des dilatations des couches d air adjacentes, ce qui donne naissance à une onde sonore (onde mécanique, progressive, périodique, longitudinale). La hauteur du son dépend de la fréquence de l onde : plus cette fréquence est importante, plus le son est aigu. L intensité du son dépend de l amplitude de l onde : plus cette amplitude est grande, plus le son est intense. Un haut-parleur est un transducteur électro-acoustique. La bande passante du haut-parleur est la bande de fréquences des sons audibles que le haut-parleur est capable de reproduire sans modification, sans perte notable du niveau acoustique. (Par ex., la bande passante à 3 d est le domaine de fréquences pour lequel L >(L max 3 d)). On distingue trois sortes de hauts-parleurs : 1 - Les boomers (de grand diamètre > 15 cm) pour les sons graves (20 Hz à 500 Hz) 2 - Les médiums pour les sons médium (150 à 3000 Hz pour les hauts de gamme) 3 - Les tweeters (de petit diamètre : 2,5 cm) pour les sons aigus (2000 à 20 000 Hz) Les baffles permettent d augmenter le rendement du haut-parleur en empêchant le court-circuit acoustique (extinction du son lors de la rencontre d ondes sonores avant et d ondes sonores arrière déphasées de 180 ). Un exemple de récepteur sonore : le microphone Le microphone a un fonctionnement inverse de celui du haut-parleur. La mise en mouvement de sa membrane lors de la réception de l onde sonore fait apparaître une tension électrique aux bornes du micro (même fréquence et amplitude proportionnelle à celle de l onde sonore). Un micro est un transducteur acousto-électrique. Ch4 TP haut-parleur- 8/8