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Mesure des intensités sonores par la méthode des scintillations

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Academic year: 2021

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(1)

HAL Id: jpa-00233050

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233050

Submitted on 1 Jan 1931

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Mesure des intensités sonores par la méthode des scintillations

François Canac

To cite this version:

François Canac. Mesure des intensités sonores par la méthode des scintillations. J. Phys. Radium, 1931, 2 (2), pp.42-60. �10.1051/jphysrad:019310020204200�. �jpa-00233050�

(2)

MESURE DES INTENSITÉS SONORES PAR LA MÉTHODE DES SCINTILLATIONS par FRANÇOIS CANAC.

Sommaire. 2014 I. Nous avons d’abord cherché à déterminer les plus petites variations

d’un son susceptibles d’être discriminées par l’oreille. Pour cela nous avons appliqué le procédé de la scintillation aux mesures d’intensité sonore : l’oreille reçoit successivement raison de 8 à 10 fois par seconde) deux sons purs de même fréquence mais d’intensité différente : I et 1 + 0394 I. Si cette différence 0394 I est forte, l’oreille entend une sorte de scintillation ou de battement; si elle est suffisamment faible, l’oreille entend un son

continu.

La comparaison de l’intensité de 2 sons n’est plus alors un phénomène de mémoire, c’est la nature de l’impression auditive globale qui ert de critérium.

II. Ce minimum perceptible de variation d’intensité est le plus petit possible quand cette variation est faite de façon continue sans changement brusque de phase. sans silence intermédiaire, sans bruits parasites. Nous avons indiqué un montage satisfaisant à ces conditions.

III. Nous avons trouvé que le

rapport 0394I I

est à peu près constant (loi de Fechner) et

égal à quelques centièmes. Il croît quand l’intensité diminue. Il est à peu près indépen-

dant de la fréquence.

IV. Les frontières de la bande d’égalisation de 2 sons se déterminent avec une erreur

de quelques millièmes. En prenant pour son exact celui correspondant au milieu de la bande, on pourra, par comparaison avec un son étalon réduit suivant une loi connue,

mesurer l’intensité d’un son à moins d’un centième près. On réalisera ainsi un « phono-

mètre à scintillation » dont l’emploi en acoustique est absolument comparable à celui du

« photomètre à scintillation » en optique.

V. Des observateurs différents mesurent des 0394 I différents mais les milieux des bandes coïncident à quelques millièmes près.

VI. Si l’oreille n’entend pas les sons de façon presque continue, mais avec des silences entre eux ou des bruits parasites, la précision des mesures est beaucoup moins grande.

Un peut mesurer une intensité sonore par simple comparaison avec un son étalon réduit, suivant une proportion connue. L’expérience montre que la précision de ce procédé

est médiocre. Il ne faut pas compter avoir mieux que le dixième. Avec beaucoup d’habitude, en opérant en l’absence de tout bruit exterieur, on atteint parfois le vingtième.

Dans ce genre de mesure deux facteurs entrent en jeu :

10 Le « souvenir » que l’observateur a du son précédemment entendu; c’est en faisant

’ appel à sa « mémoire sonore » que l’observateur déclare que le nouveau son entendu est

égal à l’ancien.

La précision avec laquelle l’oreille peut juger de l’égalité de 2 sons, le souvenir du

premier étant supposé exact et permanent.

Or, cette mémoire sonore doit certainement diminuer de qualité avec le temps. Il y a intérêt à opérer vite. Le second son au début des mesures sera différent du premier, son

.action sur l’oreille sera donc dès le début de perturber le souvenir de celui-ci.

D’où la nécessité d’entendre de nouveau le premier son. Ceci entraine des opérations

relativement longues.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019310020204200

(3)

Nous avons pensé que l’on pouvait, pour juger de l’égalité due 2 sons, faire appel à autre

chose qu’à la mémoire proprement dite. Nous avons utilisé le phénomène de la « scintillation

acoustique » qui est la sorte de roulement que produisent 2 mêmes notes d’intensité dïffé- rente quand elles parviennent très rapidement à l’oreille, l’une après l’autre. Ce n’est plus

alors la mémoire auditive qui entre en jeu, mais une autre qualité de l’oreille. Le phénomène

est à rapprocher de celui de la scintillation en optique et peut comme lui conduire à des

appareils de mesure.

Nous avons d’abord cherché quelle était la précision à espérer de la mesure des inten-

sités sonores en utilisant la scintillation Nous avons pour cela construit un phonomètre

à scintillation dont le schéma de principe est donné par la figure 1.

~

Un récepteur téléphonique servant de source de son est alimenté par le courant plaque

d’une hétérodyne musicale S. Un commutateur permet de shunter alternativement le

récepteur par les résistances r + ri et r + r,. Pour chacune d’elles ie récepteur émet des

sons d’intensité différente. Les sons sont les mêmes si r, _ J’2. L’expérience consiste, en se

laissant guider par l’écoute à modifier les résistances rq et 1"2 en déplaçant le curseur C jusqu’à avoir l’impression de l’égalité des sons. On mesure alors avec quelle approximation

les 2 résistances sont égales.

Ce dispositif permet de se mettre dans les conditions optima de mesure. En effet :

10 Les sons provenant d’une source unique ont rigoureusement la même fré- quence.

2° Il n’y a pas de déphasage quand on passe d’un son à l’autre. Or un dépha-

sage produirait une perturbation dans la membrane téléphonique qui se traduirait par un

bruit gênant. »

3° La commutation ne se produisait pas tout à fait comme l’indique le schéma 1. En fait il n’y avait pas coupure du shunt en passant de ri à r,, mais ces deux résistances étaient mises en court-circuit par le commutateur. Il en résultait qu’au moment du passage d’un

son à l’autre, au lieu d’avoir un silence, on avait seulement un son plus faible (1). D’où

encore une diminution de la gène de l’oreille. L’intensité du récepteur variait avec le temps

comme l’indique la figure 2.

Le commutateur était constitué par un disque plein en ébonite portant des secteurs en

cuivre (fig. 3). La surface extérieure bien unie plongeait dans un bain de mercure. Les sec-

teurs étaient réunis alternativement entre eux. Un des groupes aboutissait à l’extrémité de r, l’autre à celle de r~. La hauteur du bain de mercure était telle qu’à un moment donné

deux secteurs voisins étaient en contact avec lui.

Dans ces conditions la résistance shuiit B avait successivement les valeurs :

(1) Le dispositif suivant est dû à Bordenave qui a réalisé avec beaucoup de soin la plupart de

cesmesures. ,

"

(4)

Si l’on désigne par io l’intensité maxima du courant débité par l’hétérodyne, par Ro et L la résistance et la self de l’émetteur, l’amplitude,,,duj courant qui le traverse

est : .

Fig. 2.

Soit I l’intensité mécanique clu son émis : .

Si r, == r2 les deux sons entendus successivement ont exactement la même intensité.

Fiâ. 3.

,

Déterminons la valeur minima de la différence de résistance d R == rI - r2 pour

laquelle la scintillation apparaît. Elle caractérise le minimum de variation d’intensité

acoustique appréciable à l’oreille dI.

L’avantage de ce dispositif est que si la résistance Ro du téléphone émetteur est petite

et si sa self L est grande, A est très voisin de l’unité. Ainsi dans un montage où l’on avait

Ro - 1 250 ohms, L = 0,4 Henry, W -_-_ 13 800, lorsque R variait de 455 ohms à 3 000, A passait de 0,99 à 0,86.

On a donc à très peu près :

,n

et les variations relatives de .R se lisent facilement et rapidement.

Précision de mesures. - En déplaçant le curseur de la figure 1 de la gauche vers la

(5)

droite la scintillation observée au début disparaît pour une certaine valeur ri de la résis- tance de gauche et réapparaît pour une nouvelle valeur ’P’ 1.

L’expérience montre deux faits importants :

1° Il existe une plage relativement large où la scintillation n’apparait plus.

2° Les limites de cette plage sont déterminées avec une erreur très inférieure à la largeur

de la plage.

Voici à titre d’exemple les résultats obtenus avec l’ut 6 donné avec une intensité moyenne.

~1 et r’1 se lisaient sur une résistance à curseur graduée en millimètre. Dans les calculs on

prenait pour R la valeur moyenne :

1 ,

Fig.4.

1

On faisait 5 mesures pour chaque frontière et l’on prenait la moyenne. La figure 4

illustre les résultats. Les graduations de la résistance sont indiquées en millimètres,

et l’on a porté perpendiculairement les positions du curseur pour chaque mesure.

4.

(6)

MntervaUe PQ caractérise la plage où il est impossible de percevoir la scintillation.

Pour celle-ci on trouve : -.

Il est raisonnable d’admettre que l’égalité des sons doit avoir lieu pour le milieu M de la plage. La variation de résistance non décelable est alors

-4-

dR. Il

lui correspond

une

variation relative d’intensité égale à

2013,

qui, dans le cas actuel, est voisine du cen-

tième.

Mais l’égalité peut être obtenue cependant avec une précision supérieure. En effet, la précision avec laquelle on détermine le milieu M de la plage est égale à celle avec laquelle

on connaît les deux frontières. Dans le cas actuel, celles-ci sont connues à 8 mm près,

ce qui correspond à 2 ohms. On est donc capable d’amener deux sons à être égaux

à 1

près

1080

°

On voit donc combien est précise la méthode.

Voici d’autres résultats obtenus toujours avec le même montage mais en utilisant le son

de fréquence 1800.

Dans la dernière colonne on a porté la valeur de

On voit que :

i° La largeur relative de la plage d’indétermination croît quand le son faiblit.

2° La précision avec laquelle on juge de l’égalité de 2 sons croît quand l’intensité du son

augmente.

Elle

e passe ici successivement passe ICI succeSSlvemen

de 1 à 1 ,

puis à

3

e 200 a U00 pUIS

10 U00

Ces nombres dépendent malheureusement de la sensibilité momentanée de l’oreille et

l’expérience montre que celle-ci n’est pas constante. Aussi estimons-nous qu’il ne faut pas 1.

espérer avoir d’une manière courante plus

du 200

ce qui est déjà très suffisant dans

0

(7)

un très grand nombre de cas et de toutes façons très supérieur à ce que l’on avait

jusqu’ici.

Second dispositif. -~ Mesure de l’intensité physiologique. - Il est intéressant de construire la courbe

dei

en fonction de l’intensité physiologique mesurée en unités T. U.

Î et définie par la relation.

ls étant la valeur de l’intensité mécanique au seuil d’audition.

Or, le dispositif utilisé précédemment permet difficilement d’avoir le seuil. En effet,

dans ce cas, les valeurs de l~ correspondantes sont extrêmement faibles et difficiles à

mesurer.

D’autre part, le montage précédemment employé ne se prête pas à une étude de sons

d’intensités très dillérentes. Il faut pour cela changer assez fréquemment les résistances de

comparaison, d’où une cause d’erreurs.

Fig. 5.

Nous avons alors adopté le montage indiqué par la figure 5 où la résistance shunt est fixe et où les résistances r, ri et r2 destinées à produire la scintillation sont en série avec le

tétéphone.

Calcul de l’intensité mécanique. - L’intensité mécanique du son émis I est

alors :

io désignant toujours l’intensité maximum du courant débité par l’hétérodyne. Cette.

intensité reste constante dans le circuit (celui-ci comprend en plus de la résistance plaque

une résistance additionnelle po de plusieurs milliers d’ohms

On a :

Les 2 tableaux 1 et II donnent les valeurs de A : Ah A,, A3’ ~4~ As et les valeurs de B : Bi , B,, ~83, B5 pour différentes valeurs du shunt p allant de 0 à 5 350 ohms et pour les 5 fréquences Fl = 180, F-’2 _ 470, F3 = 900, 7~ == i 800, Fa == 2 200.

Dans les formules ? - 4 000 ohms, y-i - 400 ohms, Ro = i 250 ohms et L = 0,4 henry.

(8)

TABLEAU I.

TABLEAU II.

La quantité B est voisine de un dix-millième.

Par la suite les valeurs de A et de B pour d’autres valeurs de p ont été calculées en

extrapolant les précédentes.

Calcul de l’intensité seuil. - Par un jeu de commutateur, on passe du montage de

la figure 5 à celui de la figure 6. La résistance r~ est alors annulée et, quand le commutateur donnant la scintillation est sur le plot correspondant, le téléphone est entièrement en court- circuit. La résistance p est rendue égale à 1 ohm et ri est très petit devant l’impédance du téléphone et la résistance r (7~ == 4 000 ohms).

Dans ces conditions on peut admettre que la différence de potentiel aux bornes de p est égale et celle aux bornes du téléphone égale à :

(9)

L’intensité du courant électrique qui traverse le téléphone au moment du seuil

est : .

L’intensité mécanique du son qui en résulte est :

Fig. 6.

En faisant p --_ 1, r = 4 000, et en négligeant rt devant r il vient :

Pour les différentes fréquences considérées et avec l’émetteur utilisé (Ro = 1250 et

L - 0,4), les valeurs sont données par le tableau suivant :

112202î’! 2 1)

Précision des mesures. - On peut se placer à trois points de vue :

. f 0 On peut prendre pour erreur sur I la largeur de la plage durant laquelle les 2 sons à

comparer sont indiscernables. Soit â 1 la largeur de cette plage. Nous étudierons pour les différentes fréquences les valeurs de :

en fonction de I ou en fonction de

(10)

2° La bande d’égalité de sensation étant déterminée par ses frontières nous avons déter- miné celles-ci avec une erreur dI.

Prenons pour valeur vraie de I celle qui correspond au milieu de cette bande. Elle est

connue avec la mème erreur d I.

Nous étudierons pour les différentes fréquences la valeur de :

en fonction de I ou en fonction de

3° Enfin la valeur I, ainsi trouvée peut être différente de la valeur de comparaison I2

obtenue par le calcul.

On peut donc envisager une troisième erreur :

Résultats. - Les résultats sont portés dans les tableaux suivants.

1 Nous avons indiqué, pour des valeurs successives de p c’est-à-dire

de K2io2les

valeurs 11

r’1 des résistances frontières obtenues dans plusieurs mesures avec chaque fois leur valeur moyenne. Au début nous avons indiqué la valeur du seuil d’audition. Cette mesure était

généralement faite la première. On contrôlait à la fin qu’elle n’avait point varié. Dans le cas

d’une variation on prenait pour valeur seuil, la première valeur pour la première moitié des

mesures, et la seconde pour l’autre.

L’intensité du son en unité T. U. est portée dans la troisième ligne et calculée d’après la

formule - ..

Nous avons indiqué dans la ligne suivante la dr1 ce qui a permis

A7

de calculer application de la formule I

1 N ous avons indiqué ensuite la résistance qui correspond au milieu de la bande;

puis la valeur de E2 = 0- --. -- B dri oii 2 d ri représente ici la différence maxima entre les

P "

1 p °

valeurs observées respectivement pour ?.i et r’1,

Dans les expériences qui suivent la résistance de cOlnparaison r"}. était toujours égale à 400 ohms. Par suite l’erreur entre l’intensité trouvée et l’intensité vraie est :

(11)

Cinq expériences faites à cinq jours différents par la même personne et avec la mêm e note F5 (2 200 périodes par secondes), ont donné les résultats suivants :

F5 (2 200 p : s). EXPÉRIENCE N° ~.

Seuil p = 1 ohm, r = 130 ohms, 1, == 33 . i0-~~. Kio2.

Fs (2 200 p : °. s). EXPÉRIENCE N° 2.

Seuil p = 1 ohm, ri - 160 ohms, £ = 60.10-12. K’2 i2.

(12)

F5 (2 200 p : s). EXPÉRIENCE N° 3.

Seuil p = 1 ohm, ri - 160 ohms, I,, _-_ 50.10-12. K2 i02.

F~ ~~ ~OO p : s). EXPÉRIENCE 4.

Seuil p = 1 30 ohms, 7, - 1,76.10-~.7~~.

(13)

53

F~ (~ 200 p : s). EXPÉRIENCE 1V° 5.

Seuil p = 1 = i30 ohms, Is = 33.10-12.K2i,2.

Les courbes de la figure 7 résument les résultats obtenus. On a porté en ordonnées les

A/ 1

valeurs de

j

et en abscisses les valeurs 10 log.

1

en unités T. U.

I IS

(14)

On voit que les courbes de chaque jour ne coïncident pas tout à fait, la largeur de la

bande d’indétermination pour un même individu varie donc un peu d’un jour à l’autre.

Mais ces courbes ont la même allure,

Le rapport

T

est d’autant plus grand que le son est faible. Pour les sons faibles il est

, 5 , 2

voisin

de 5

et il se rapproche de pour les sons très forts, presque insupportables à

100 100 P

entendre (90 unités T. U.). La courbe a ensuite tendance à se relever.

D’autre part, on voit sur les tableaux précédents que la précision sur la détermination des frontières (E2), c’est-à-dire la précision avec laquelle on caractérise le passage du son continu au battement, est assez constante. Elle est de quelques millièmes et atteint rare- ment le centième. Elle a tendance à diminuer quand l’intensité augmente.

Il en est de même de la précision (E3) avec laquelle on détermine le milieu de la bande d’audition continue. Elle est voisine du millième sur les 25 mesures indiquées plus haut,

1 lA 3 3

les valeurs extrêmes de eg

sont î ooo 3

i 000 1 Ù00 .

Deux expériences ont été faites à 2 jours de distance. Les résultats sont résumés dans les tableaux suivants.

F4 (1$00 p : S~. PREMIÈRE EXPÉRIENCE.

Seuil p - 1 = 170 ohms, IS ~ 82.10-12. K2 i02.

(15)

F, (1 800 p : s). SECONDE E1PÉRIEIVCE.

Seuil p = 1 ohm, ri == 180 ohms, Is - 9~ .10--~‘’ . K2 Í02.

~

Fig. 8. - N = 1 800.

Les courbes de la figure 8, résument les résultats obtenus dans les 2 cas. Les courbes sont tout à fait semblables. On a indiqué en pointillé la valeur moyenne. Mêmes conclusions que précédemment.

(16)

F3 (900 p : 1 S). PRE3IIÉRR EXPÉRIENCE.

Seuil p = 1 ohm, ri - 50 ohms, ls = 44 , 10 1 2 . K2 io2 .

F3 (900 p : S~. SECONDE EXPÉRIENCE.

Seuil p --1 ohm, r, = 80 ohms, Is .~ 6i .10-~~~.

Mêmes conclusions que plus haut, mais pour les sons les plus faibles, les erreurs sont

ici plus grandes.

(17)

La courbe (fig. 9) relative à cette note coïncide de 0 à 80 TU avec la courbe en traits

pointillés (fig. 8) moyenne des deux courbes expérimentales relatives au son précédent.

Fig. 9. - F3 N = 900.

8-)- 1. re expérience,

~

0 2e expérience..

ote F2 ~r~70 p : s.)

Nous avons fait faire pour cette note des mesures par cinq observateurs différents : B. C. D. G. R.

Les observateurs B et C étaient ceux qui ont fait les précédentes mesures et dont

l’oreille était exercée.

Les observateurs D et G avaient l’oreille particulièrement bien exercée à l’écoute des

sons faibles, mais écoutaient pour la première fois des scintillations.

L’observateur R n’avait jamais écouté.

Le tableau suivant donne les résultats globaux obtenus pour les 5 observateurs.

A/

Pour chacun de ces observateurs le rapport de o Fechner » va en diminuant quand

l’intensité du son augmente. Pour le son fort il est de quelques centièmes. Pour le son très faible il se rapproche de l’unité.

Pour une même intensité les nombres trouvés diffèrent avec les observateurs. La

largeur de la bande d’indétermination c’est-à dire, pour une intensité donnée, le plus petit

accroissement ou la plus petite diminution de son décelables à l’oreille varient avec les

individu, parfois du simple au double. Mais ils se répartissent symétriquement par rapport

à la valeur exacte. Or, comme les deux frontières d’égalisation se déterminent avec une

grande précision «quelques millièmes), en prenant la fourchette, tous les observateurs sont d’accord pour mesurer un son, suivant la méthode des scintillations avec une approxima-

tion voisine du centième.

(18)

Fi (180 p : S). OBSERYATEUR B.

Seuil p = 10 _ 200, Is =

(19)

La courbe (figure 10 ) a la même allure que précédemment.

Mêmes conclusions concernant la précision des mesures.

Fig. 10. ® FI N = 180.

Conclusions générales. - Le rapport de Fechner

égal

au plus grand accroisse-

ment relatif d’un son non discernable à l’oreille, est toujours petit et égal à quelques cen- tièmes, en se plaçant dans des conditions bien déterminées : utilisation de la scintillation

comme critérium de la différence de deux sons, variation continue des sons, absence de bruits parasites.

Ce rapport va d’abord toujours en diminuant quand l’intensité du son augmente, et parfois il croit légèrement pour les sons très forts. Il varie un peu d’une expérience à l’autre

pour un même individu, pour un même son et pour des sons différents.

Application à la mesure d’une intensité sonore. - Le critérium de la scintilla- tion peut servir à mesurer l’intensité Il d’un son A par comparaison avec un son étalon B

de même fréquence. On fait varier d’une façon continue l’intensité de celui-ci jusqu’à lui

donner une valeur 1z où la scintillation avec le premier disparaît, puis une valeur 1‘2 ou elle réapparaît. La valeur ~1 1 cherchée est égale à

~~ ~ ~ I ~.

. Les expériences précédentes ont

montré que l’erreur de la mesure était inférieure au centième; ceci vient de ce que les 2 frontières apparaît et disparaît la scintillation se déterminent avec précision.

Par le procédé ordinaire de la simple comparaison faite lentement /2 était trouvé égal

à Il quand il était simplement compris entre Il - 0 Il et Il i’ à

Il, il pouvant

A /i atteindre-

1

1

la valeur

(20)

60

Le procédé de la scintillation n’a toutefois de valeur qu’autant qu’ont été observées les conditions indiquées plus haut. Aussi s’applique-t-il malaisément à l’étude de deux sources

distinctes car il est techniquement difficile d’avoir deux sources distinctes bien identiques.

Par contre il convient très bien si l’on a à comparer des appareils conducteurs de son

d’un type quelconque : tuyaux, pavillons, filtres, matières absorbantes, etc. Dans ce cas en effet on peut utiliser une source unique, par exemple une hétérodyne musicale alimentant deux récepteurs téléphoniques servant de source auxiliaire: l’une d’elle joue le rôle d’étalon,

son intensité est réduite suivant une loi connue, par exemple au moyen d’une résistance shunt. L’autre source est entendue à travers l’organe, quel qu’il soit, dont on veut déter- miner le coefficient de transmission.

Si la source sonore dont on dispose est un instrument à vent, un système de canalisa- tion et de commutateur devra diriger le son soit directement à l’oreille, soit indirectement

en lui faisant traverser l’organe à étudier. Dans ce cas la mesure se fait donc sans aucun

intermédiaire électrique. On peut en effet constituer un réducteur mécanique de son en

utilisant par exemple un diaphragme ou un tube absorbant de longueur variable. On peut

aussi constituer avec le son étalon des ondes stationnaires, et, avec un tube prospecteur prendre le long de la sinusoïde des sons dont l’intensité est ainsi une fraction connue de l’intensité maxima.

Manuscrit reçu le 29 novembre 1930.

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