Noter la fréquence








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titreNoter la fréquence
date de publication27.03.2017
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TP n°6 : Acoustique musicale et physique des sons
I. Les ondes sonores :

A partir des documents de l’annexe répondre aux questions suivantes :

1. Quelles sont les caractéristiques d’un son ?

2. Le volume sonore peut être exprimé par l’intensité acoustique I, par la pression acoustique ou par le niveau sonore L. Donner l’unité de chacune de ces grandeurs.

3. Un son aigu a-t-il une fréquence plus faible ou plus grande qu’un son grave ?

Expérience

Ecoutons le son produit par un haut-parleur relié à un GBF. On augmente progressivement la fréquence du son émis à partir d’une valeur nulle tout en maintenant constante la tension de sortie du GBF.

- Noter la fréquence fmin à partir de laquelle vous commencer à percevoir un son : f min = ……………..

- Comment évolue le son lorsque la fréquence augmente ?

- Noter la fréquence fmax au-delà de laquelle le son n’est plus audible : f max = ……………..

4. Compléter les définitions ci-dessous :

L’oreille humaine peut entendre des sons de fréquences comprises entre …….. Hz et ............... kHz.

Les ultrasons ont des fréquences ………………………… Les infrasons ont des fréquences ……………………………………

La hauteur d'un son est la sensation que ce son est plus ou moins aigu ou grave : elle est caractérisée par sa .......................
II. Analyse d’un son :

Document : Donnons le la

Avant de jouer toute œuvre musicale, les musiciens d'un orchestre accordent leur instrument. Par tradition, c'est le joueur de hautbois (ou le pianiste) qui donne le la, permettant au premier violon puis à tous les musiciens de s'accorder. " Donner le la " signifie que l'on donne une note de référence , le la, également appelé " la3 " ou "la 440" qui permet à chaque instrument une fois accordé de produire un son harmonieux. Cette note peut être produite par un instrument nommé diapason , qui peut être électronique ou mécanique.

1. Analyse temporelle :

Expérience :

  • Ouvrir le logiciel Regavi puis cliquer sur : lecture d’un fichier.WAV. Cliquer sur ouvrir et rechercher les fichiers sons dans le dossier enregistré sur le disque D préalablement.

  • Ouvrir le fichier son "diapason". Ecouter (jouer).

- Après avoir écouté la note, sélectionner environ une dizaine de période puis cliquer sur Regressi et OK.
Décrire la forme du signal émis par le diapason. A l’aide du réticule, mesurer la période de ce signal. En déduire la fréquence f du son .
2. Analyse spectrale – transformée de Fourier

Tout signal périodique est décomposable en une somme de signaux sinusoïdaux. Pour réaliser cette décomposition on effectue une transformée de Fourier. On obtient alors un spectre donnant les fréquences et les amplitudes relatives des composantes de ce signal. La composante de fréquence la plus faible f1 est appelée le fondamental. Les autres fréquences sont appelées les harmoniques.
Expérience : En cliquant sur Fourier, afficher le spectre fréquentiel de la note donnée par le diapason.

2.1 Le signal du diapason comporte-t-il des harmoniques ? Que représente la fréquence donnée par le seul pic ? Justifier le nom donné au "la 440".

Expérience :

Dans le logiciel Regavi, ouvrir successivement les fichiers "la 3 piano" puis "la 3 flûte". Procéder comme précédemment pour répondre aux questions suivantes.

2.2. Quel est le point commun des "la3" des divers instruments ? En quoi diffèrent-t-ils ?

Faire un compte rendu de votre démarche.

2.3. Le son produit par un diapason est qualifié de pur. Le son joué par une flûte ou un piano est qualifié de complexe. Proposer une définition d'un "son pur" et de "son complexe".
2.4. Trouver la relation existant entre la fréquence fn de l’harmonique de rang n et celle f1 du fondamental (également appelé harmonique de rang 1). Comparer la fréquence de chaque note analysée à la fréquence du mode fondamental.

III. Hauteur et timbre d'un son :

Expérience :

Dans le logiciel Regavi, ouvrir successivement le fichier "do 3 " et "do4".

3.1. Par deux méthodes que vous expliciterez, déterminer quelle note est la plus grave.

Vérifier en écoutant le do3 et le do4.

On appelle timbre d'un son émis par un instrument de musique la sensation auditive qui permet de distinguer deux mêmes notes jouées par des instruments différents.
Conclure :

3.2. En utilisant leurs enregistrements temporels et leurs spectres, expliquer comment distinguer deux sons de même hauteur mais de timbres différents ?

3.3. A quoi peut-on voir sur les enregistrements temporels et les spectres fréquentiels que deux notes ont la même hauteur ?

Autre source de différence entre les timbres : l’enveloppe d’un son.

Les sons précédemment étudiés ont été acquis sur une durée très courte devant la durée d’émission de la note. Les figures ci-après donnent les variations temporelles de la vibration sonore globale correspondant à la durée complète d’émission de notes de même hauteur par trois instruments différents ; l’allure des variations temporelles globales est appelée enveloppe du son. L'enveloppe du son influe énormément sur le timbre d’un instrument.










guitare (corde pincée)

violon (corde frottée)

trompette


Repérer, sur les graphes, les phases d'établissement (attaque) et celles d'extinction du son. Comparer leurs durées.

IV. Sensation auditive liée à lénergie sonore: le niveau sonore

1. Intensité sonore.

Les ondes sonores sont des ondes mécaniques qui transportent de l'énergie.

Le schéma ci-contre montre le cône dans lequel se propage la puissance sonore P émise par un haut-parleur.

En s’appuyant sur ce schéma, expliquer la diminution de la sensation auditive lorsqu’on s’éloigne du haut-parleur.
La sensation auditive est liée à une grandeur énergétique appelée intensité sonore ou intensité acoustique notée I.

Proposer une relation entre P la puissance sonore et I. (Aide : voir I)

L'intensité sonore I en ............. caractérise l'intensité du signal reçue par l'oreille : I = ....
2. Niveau sonore

Un sonomètre est un appareil, destiné à mesurer une grandeur physique L appelé niveau sonore, mesuré en décibel (acoustique) ou dB(A)
Expérience :

- Placer deux haut-parleurs côte à côte, l’un réglé pour une émission sonore de fréquence 400 Hz et l’autre réglé pour une émission sonore de fréquence 300 Hz. Placer le sonomètre à égale distance des deux haut-parleurs.
- Faire fonctionner un seul haut-parleur et régler la puissance sonore afin que le sonomètre indique

L1= 80 dBA. Effectuer le même réglage sur le deuxième haut-parleur fonctionnant seul ( L2 = 80 dBA ).

- Faire fonctionner les deux haut-parleurs simultanément.

- Entendez-vous «deux fois plus fort»? Noter l’indication du sonomètre: L = dBA.
Conclusion :

La sensation auditive ne varie pas dans les mêmes proportions que l'intensité sonore : la perception de l'oreille n'est pas linéaire.
Le niveau sonore L (pour Level en anglais) est lié à l'intensité sonore par la relation :



avec : L en dB (décibel) , I : Intensité sonore en W.m-2 (puissance reçue par unité de surface)

I0 = 10-12 W.m-2 : intensité sonore de référence qui correspond approximativement à l’intensité minimale perceptible par l’oreille humaine.
Applications :

2.1. Calculer le niveau sonore pour I = I0

2.2 Calculer le niveau sonore pour I = 5,0.10-4 W.m-2

2.3 Calculer l’intensité sonore pour L = 70 dB

2.4. Monter que lorsque l'intensité sonore est multipliée

- par 2 , le niveau sonore augmente de 3 dB

- par 10, le niveau sonore augmente de 10 dB.

A RETENIR : lorsque deux sons se superposent, les intensités sonores s’………………………….. mais les niveaux sonores ne s’………………………………. pas.

3. Sensibilité de l’oreille humainehttp://www.surdifuse.com/courbe.gif

La sensation sonore perçue par l’oreille dépend de la fréquence du son émis : l’oreille est plus sensible à certaines fréquences qu’à d’autres.
D’un point de vue pratique, entendez-vous mieux les graves ou les aigus ?

La figure ci-contre représente un audiogramme c’est à dire un réseau de courbes d’égales sensations sonores pour une oreille moyenne, chaque courbe représentant, pour une perception sonore donnée, les variations du niveau sonore L avec la fréquence d’un son audible
(les échelles de fréquences sont logarithmiques).

La courbe inférieure représente le seuil d’audibilité.
La courbe supérieure représente le seuil de douleur.
Questions

3.1. Par observation du graphique, quel est approximativement le domaine de fréquences pour lequel l’oreille humaine est la plus sensible ?

3.2. Pour des sons « intenses » (supérieurs à 100 dBA ), l’oreille est-elle sensible, moyennement sensible ou peu sensible à la fréquence ? Donner un argument.

3.3. Même question pour des sons assez peu intenses (inférieurs à 50 dBA).

3.4. Calculer à partir de l’audiogramme, les seuils de niveaux sonores puis d’intensités sonores aux fréquences de 100 Hz et 1000 Hz. Comparer ces seuils.
Conclure.

Annexes

Document 1

Document 2

Document 3



Document 4

La fonction logarithme décimal :

Le logarithme décimal est la fonction réciproque de la fonction f(x)=10x :

pour x>0, si y = log(x) alors x=10y.

Propriétés :

log 10 =

log(ab ) = log a + logb ; log(a/b) = loga - log b

log (an) = n log a

Ex : log (102) = 2 ; log (105) = 5.

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