PARTIE 1 : Ondes et applications TP3 La physique de la note mystère Objectif : Réaliser l analyse spectrale d un son musical et l exploiter pour en caractériser la hauteur et le timbre. CONTEXTE DU SUJET : Les logiciels comme Shazam, SoundHound, TrackID identifient un titre entendu à la radio, à la télévision ou n'importe où ailleurs. Certains permettent même de reconnaître une chanson fredonnée. Ils utilisent le microphone du téléphone ou du PC pour capturer un échantillon de musique. Une empreinte acoustique est créée à partir de cet échantillon, elle est comparée à une base de données puis, en cas de correspondance, les informations sont retournées à l'utilisateur. Comment sont créées les empreintes acoustiques sur lesquelles reposent ces logiciels de reconnaissance musicale? Document 1 : Le la 3 ou la 440 Le La 440 est une note de musique utilisée comme hauteur de référence. Cette note est le La situé au-dessus du Do central (Do 3 ). C'est la note donnée par le diapason mécanique usuel. Une conférence internationale en 1939 a recommandé que le La au-dessus du Do central soit accordé à 440 cycles par seconde. Cette norme a été acceptée par l Organisation internationale de normalisation (ou ISO - International Organization for Standardization) en 1955 en tant que ISO 16. Elle sert maintenant de fréquence de référence dans l ajustement de pianos, de violons et d autres instruments. Document 2 : Le diapason Le diapason est un outil de musicien donnant la hauteur - fréquence - d'une note-repère conventionnelle, afin que celui-ci accorde - étalonne - son instrument. Son invention est attribuée au trompettiste et luthiste anglais John Shore (1662-1752) en 1711. Par extension, le diapason désigne la hauteur absolue de la note de référence mondialement acceptée (actuellement le la 3 ). Petit et pratique d emploi, le diapason est constitué de deux branches parallèles, soudées en forme de U et prolongées par une tige. Les branches en métal, en vibrant, émettent un son à la fréquence étalonnée unique : on obtient alors un son dit pur. 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.. Document 3 : Timbre d un son. Qualité particulière du son, indépendante de sa hauteur ou de son intensité mais spécifique de l'instrument, de la voix qui l'émet. Il est lié aux intensités relatives des harmoniques qui composent le son. Document 4 : Le fondamental et ses harmoniques Définition du dictionnaire Larousse. Un son complexe périodique de fréquence f peut être décomposé en une somme de sons purs sinusoïdaux appelés harmoniques dont les fréquences respectent la relation : avec n un entier non nul Le son de fréquence f 1 = f est appelé le fondamental. L ensemble formé par le fondamental et ses harmoniques constitue le spectre d un son. 1
Document 5 : Fréquences des notes (en hertz) dans la gamme tempérée Document 6 : Acquisition d un son http://fr.wikipedia.org/wiki/note_de_musique Brancher, avec précaution le micro au boîtier d acquisition Orphy sur une des voies EA Depuis le bureau de Windows, ouvrir le dossier Physique et lancer le logiciel GTS2. Paramétrer la voie d acquisition comme suit : Sélectionner l entrée analogique EAi correspondant à votre câblage. Renseigner les champs : nom, unité, signification (flûte la 5012 ) Choisir un affichage de ±2 V Cliquez ici Choisir le mode d acquisition, la synchronisation et le balayage : Cliquez ici Entrez la durée et le nombre de points Cocher Mode de fonctionnement temporel et sélectionner temps pour l abscisse. Régler la synchronisation sur Entrée clavier On réglera la durée totale d acquisition sur 20 ms et le nombre de points à 1000 Placer le micro près de la source sonore, l enregistrement débute en cliquant sur le bouton Acquisition Cliquer sur l icône Régressi pour basculer vers le traitement des données On peut faire l analyse spectrale du signal à l aide du bouton 2
TRAVAIL À EFFECTUER Vous disposez du matériel suivant : une flûte à bec, un diapason, un microphone, une interface d acquisition, un ordinateur avec logiciels d acquisition et de traitement de données, les modes d emploi des logiciels. ANALYSER : 30 min conseillées 1. Relever dans les documents tous les termes et expressions permettant de caractériser un son. 2. Un instrument de musique joue le Ré de la 3 ème octave. Donner les fréquences du fondamental et des trois premiers harmoniques. 3. Proposer un protocole pour analyser le son produit par le diapason dont vous disposez. APPEL N 1 Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental ou en cas de difficulté. 3
RÉALISER : 45 min conseillées 4. Mettre en œuvre le protocole expérimental. Consignez vos observations et vos interprétations. 5. Parmi les spectres ci-dessous, lequel peut-on associer au son obtenu? Comment peut-on qualifier ce son? 300 900 1500 3000 APPEL N 2 Appeler le professeur pour lui présenter vos résultats expérimentaux ou en cas de difficulté. 6. Voici le doigté d une note jouée à la flûte à bec : De quelle note s agit-il? Explicitez en détail votre démarche et les résultats obtenus : pouce 4
APPEL N 3 Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions ou en cas de difficulté COMMUNIQUER : 15 min conseillées 7. Comment sont créées les empreintes acoustiques sur lesquelles reposent les logiciels de reconnaissance musicale? APPEL N 4 Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions ou en cas de difficulté POUR S ÉVALUER Analyser coefficient 2 A B Réaliser coefficient 3 A B C D A B C D Communiquer coefficient 1 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D Note 20 19 18 17 18 17 16 15 14 13 12 11 12 11 10 10 18 18 16 16 16 16 15 14 13 12 11 10 11 10 9 8 Analyser coefficient 2 C D Réaliser coefficient 3 A B C D A B C D Communiquer coefficient 1 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D Note 16 15 14 13 14 13 12 11 10 10 8 8 8 8 6 6 15 14 13 12 13 12 11 10 9 8 7 6 7 6 5 5 5