TP n°9 Physique Partie B : Produire des sons, écouter Classe : Spéc.
Acoustique musicale I/ Reconnaître un son
1) Fréquences audibles Expérience
On branche un GBF aux bornes d’un haut-parleur.
Pour une tension donnée, on fait varier la fréquence et on recherche les valeurs fmin et fmax pour lesquelles le son produit par le haut-parleur n’est plus audible.
fmin = ……… fmax =……….
Conclusion
L’oreille humaine perçoit un son pour des fréquences comprisent entre 20 Hz et 20 kHz environ.
2) Hauteur et timbre
La hauteur d’un son est la qualité qui distingue un son aigu d’un son grave. La note la3 a la même hauteur, qu’elle soit jouée par une flûte ou un piano. Le timbre permet de reconnaître l’instrument qui joue la note.
Expérience
On joue une note avec une guitare et la même note avec un piano. A l’aide d’un dispositif d’acquisition, on observe l’oscillogramme de ces deux notes sur l’écran d’un ordinateur.
Observation :
On se rend compte à l’oreille que le son produit par chacun de ces instruments est différent, mais on reconnaît facilement qu’il s’agit de la même note (même hauteur).
Questions :
a) Ces vibrations sonores sont-elles périodiques ? Pourquoi ?
b) Déterminer pour chacune d’elles la période T et en déduire leur fréquence respective.
c) A quoi est liée la hauteur d’une note ?
d) Additionner ci-dessous les deux sinusoïdes de fréquence f1 et f2 = 2 f1. Observe-t-on un signal périodique ? Si oui, exprimer sa fréquence fC ?
e) Le son obtenu peut-il être qualifié de pur ? Pourquoi ? f) Tracer ci-dessous le spectre du son composé obtenu :
g) On donne f2 = 400 Hz. Le son composé a-t-il la même hauteur que la note précédente jouée par le piano ? A-t-il le même timbre ? Justifier.
0 10 100 1000 10 000 100 000
fréquence Hz
Guitare Piano
1 carreau 1,0 ms
1 2 amplitude
3
0 f1
fréquence
TP n°9 Physique Partie B : Produire des sons, écouter Classe : Spéc.
Conclusion :
La hauteur d’un son est donnée par la fréquence du fondamental.
Deux sons de même hauteur émis par deux instruments différents sont perçus différemment par l’oreille car ils n’ont pas le même timbre.
Le timbre d’un son dépend de sa composition en harmoniques.
Le signal périodique obtenu pour une note jouée par un instrument de musique peut être décomposé en une somme de sinusoïdes d’amplitudes différentes mais de fréquences f1, 2f1, 3f1… (analyse de Fourier)
Le spectre sonore permet de connaître la composition en harmonique d’un son (exemples ci-dessous)
3) Enveloppe d’un son
Lorsqu’on joue une note avec un instrument de musique on distingue trois temps :
- L’attaque : montée en amplitude de la note - Le corps : période durant laquelle l’amplitude ne
varie guère.
- L’extinction : l’amplitude redevient nulle.
II/ Intensité d’un son 1) Définition
L’intensité sonore I (W.m–2) est la puissance (Watt) de la vibration sonore reçue par unité de surface (m2) : 2) Propriété
Plus on s’éloigne de la source sonore plus l’intensité diminue car l’énergie produite par la source se répartie sur une surface plus grande.
Pour l’oreille humaine :
Le seuil d’audibilité est : I0 = 10–12 W.m–2
Le seuil de douleur est : I= 1 W.m–2 3) Niveau sonore
Le niveau sonore noté L et exprimé en décibels acoustiques (dBA) est définit par : I0 est l’intensité du seuil d’audibilité de l’oreille humaine pour un
son de fréquence 1000 Hz
La mesure du niveau sonore s’effectue avec un sonomètre.
Questions :
a) Calculer le niveau sonore pour une intensité acoustique I égale à I0
b) Même question pour une intensité acoustique égale au seuil de douleur.
c) Montrer que si I2 = 2 I1 alors L2 3 + L1. Conclusion :
Le niveau sonore L exprime la sensation perçue par l’oreille.
La réponse de l’oreille n’est pas une fonction linéaire de l’intensité sonore I.
III/ Gamme tempérée
Un intervalle est le rapport entre la fréquence de deux notes. La gamme dite tempérée, élaborée au XVIIe siècle découpe un intervalle dont les fréquences sont dans un rapport de 2/1 (octave) en 12 degrés chromatiques.
L’intervalle entre deux degrés chromatiques est appelé demi-ton.
½ ton 2 1/12
2 1/12
261,6 293,7 329,6 349,2 392,0 440,0 493,9 523,3
1 2 amplitude
3
0 f1
fréquence 1
2 amplitude
3
0 f1
fréquence
Diapason : son pur Piano : son composé
A NOTER : Les transitoires (attaque et extinction) jouent un rôle important dans le timbre d’un instrument.
S I P
distance H.P.
0
log
10 I
L I
A NOTER : Le seuil de douleur est à 120 dBA, mais un son devient dangereux pour une intensité de 90 dBA
Do ré mi fa sol la si do
ton 2 1/6
Octave 2 = (2 1/12)12
