Ts spé Thème son/Instruments de musique Réalisation d’une flûte de Pan








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date de publication16.04.2017
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TS spé Thème son/Instruments de musique Réalisation d’une flûte de Pan

Objectif : Comment fabriquer un instrument simple de musique à vent, tel que la flûte de Pan, à l’aide du matériel disponible au laboratoire de physique-chimie du lycée ?


Document 1 : Mode de vibration d’une colonne d’air :
Une colonne d’air soumise à soumise à une vibration périodique peut entrer en résonance pour certaines fréquences particulières fn. A chacune de ses fréquence est associée un mode propre de vibration de la colonne d’air appelé mode harmonique de rang n. La plus petite de ces fréquences, notée f1 est appelée fréquence fondamental.
fn = n× f1
Des ondes sonores progressives se propagent dans un sens et dans l’autre de la colonne d’air. Lorsque ces ondes interfèrent de façon constructive, la colonne d’air entre en vibration. Il s’établit alors un système d’ondes stationnaires dans le tuyau.

La distance qui sépare alors deux ventres (V) ou deux nœuds (N) de vibration de l’air est égale à .

Les modes de vibrations dépendent du type de tuyau utilisé.

doc2_bisdoc2_bis

I) Un peu de théorie : 55 min maxi !

  1. On considère un tuyau de longueur L ouvert aux deux extrémités :




  1. Dans le mode fondamental (n = 1), quelle relation peut-on écrire entre la longueur L du tuyau et la longueur d’onde  des ondes sonores sinusoïdales qui s’y propagent ?




  1. Quelles relations a-t-on pour les modes harmoniques de rang n = 2, n = 3 et n = 4 ?



  1. En déduire une relation entre L, n et .




  1. On note v la célérité du son dans l’air. Pour l’harmonique de rang n, quelle est la relation entre , v et fn ?



  1. Pour l’harmonique de rang n, établir une relation entre fn, v et L.



  1. En déduire l’expression de la fréquence f1 du mode fondamental.


  1. On considère un tuyau de longueur L ouvert à une extrémité et fermée à l’autre.

  1. Pour ce tuyau, répondre aux mêmes questions que celles du 1)

  2. Quelles sont les harmoniques manquants pour ce type de tuyau ?



  1. Etude d’une flute de pan : ( 15min)



Document 2 : la flûte de Pan

La flûte de Pan est un des instruments les plus faciles à fabriquer. Il suffit de quelques bouts de roseau bien évidés, d'un peu de bougie et d'un bon couteau !
Cette flûte consiste en une série de tuyaux de longueurs L différentes qui sont maintenus ensemble par des ligatures ou une pièce en bois (voir figure ci-contre). http://medias.audiofanzine.com/images/normal/gewa-music-flute-de-pan-22886.jpg

Une extrémité de chaque tuyau est à l'air libre, l'autre (le fond) est fermée.

On se limite à une flûte simple constituée de cinq tuyaux donc cinq notes.

Une recherche documentaire a permis de connaître les fréquences des cinq premières notes :

Les notes do5 et mi5 sont les octaves des notes do4 et mi4.

Deux notes sont à l'octave l'une de l'autre si le rapport de leurs fréquences vaut 2.

Notes



do4

mi4

sol4

do5

mi5

Fréquence en Hz

523

659

783










  1. Compléter les valeurs des fréquences manquantes du doc 2.

  2. La flûte de Pan est-elle modélisable par un tuyau ouvert à une extrémité ou deux extrémités ?

  3. Pour le mode de vibration 1 on a f1 = comment varie la fréquence lorsque la longueur L diminue ?

  4. Mesurer la longueur L du tube à essais vide et sachant que v = 340 m.s-1, calculer la fréquence théorique f1th du mode fondamental.

  5. Réaliser un enregistrement avec un tube à essai vide (voir partie expérimentale ci-dessous) puis comparer le résultat trouvé avec celui de l’expérience.



Pratique expérimentale avec un tube à essai


  • Souffler dans le tube comme indiquer sur la photo.bouche_flut

  • À l’aide de Sysam et du logiciel oscillo 5 enregistrer le son à l’aide d’un microphone émis par un tube à essais lorsqu’on excite la colonne d’air.




  • Réaliser l’analyse de Fourier du signal enregistré. Noter la valeur de la fréquence f mes


Consulter la fiche méthode d’utilisation du logiciel Oscillo 5 pour effectuer le travail demandé.


  1. Réalisation d’une flute de pan : (40min)



  1. Proposer un protocole expérimental, permettant de réaliser la flûte de pan comprenant les cinq notes du document 1. Réaliser l’instrument après validation par le professeur.




  1. Vérifier la hauteur des sons émis par chaque tube en faisant une analyse de Fourier à l’aide du logiciel oscillo5. Ajuster éventuellement votre manipulation pour obtenir les fréquences souhaitées.



  1. Indiquer comment vous avez ajusté les fréquences.



  1. Jouer un air de musique au professeur.




Fiche méthode du logiciel Oscillo 5


  • Connecter Sysam




  • Ouvrir « Oscillo 5 » (icône sur le bureau)




  • Brancher le microphone sur Sysam en EA0




  • Si l’affichage est en anglais à l’ouverture, aller dans options générales  généralités → langue

français


  • Activer UEA0 seulement (désactiver les autres entrées)




  • Effectuer les réglages de déviation verticale :

■ sensibilité 10 mV/division

■ facteur X10


  • Dans un second temps, effectuer les réglages pour obtenir le spectre du son émis par la flûte :

■ mode spectre, affichage courbe

■ échelle fréquence 100 Hz

■ résolution 2,0 Hz

■ synchronisation seuil 0,00 V sens montant à vérifier si nécessaire avec les nouveaux micro !

■ choisir curseurs et effectuer les mesures de la fréquence du fondamental à l’aide cet outil


  • Enregistrement :

■ mode permanent et souffler pour observer le spectre

■ activer monocoup pour enregistrer un son tenu avec la flûte

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