TPE
Le son
Peut-on voir un son?
TPE réalisé par Nicolas, Amaury et Martin
1èreS2 2013/2014
La Providence, Amiens
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A) Le son, une onde mécanique
1) Principe d'onde sonore.
Tout d'abord , il faut savoir que le son est une onde correspondant à la propagation d'une perturbation sans transport de matière. Il existe des multitudes d'ondes différentes, telles que les ondes sismiques , éléctromagnétiques ...
Une onde sonore se propage par une suite de compression-dilataion du milieu de propagation comme le montre le schéma ci-dessous montrant la progression des ondes par des suites de compression- dilatation du milieu.
2) Principales caractéristiques d'un son.
Le son est donc une onde mécanique qui se propage dans les milieux compressibles c'est l'onde de pression qui se propage et non pas l'air.
Chaque molécule ne fait que vibrer de quelqes micromètres autour de sa position d'équilibre.
Pour émettre un son, il suffit de mettre l'air en vibration.
Ici , l'air est symbolisé par de petites billes et le passage des ondes va mettre en mouvement les molécules d'air. C'est une onde de pression.
Sur cette image arrêtée, on peut distinguer des zones de dépressions avec une faible densité de molécules symbolisées ici en bleu.
Sur cette image arrêtée, on peut distinguer des zones de compressions avec une forte densité de molécules symbolisées ici en rouge.
On étudie les caractéristiques physiques d'un son musical selon trois grandeurs :
-
la hauteur liée à la fréquence du son,
-
le volume lié à l'intensité de la vibration,
-
le timbre lié à la forme de cette vibration.
a) Mettons-nous à la hauteur d'un son.
La hauteur ou fréquence d'un son équivaut au nombre de vibrations par secondes. Si ces vibrations sont peu nombreuses, on entend un son grave et plus le nombre de ces vibrations par seconde augmente plus le son devient aigu
Par exemple : une corde qui vibre 100 fois par seconde produira un son plus grave qu'une corde qui vibre 3000 fois par seconde.
Ici la fréquence est passée d'une fréquence faible à un fréquence élevée.
Echelle des décibels
b) Mettons-nous au niveau du son.
Le niveau d'un son ou intensité dépend de l'amplitude du niveau vibratoire. Plus l'intensité d'un mouvement vibratoire est grande, plus l'intensité est élevée.
L'intensité du niveau d'un son se mesure en décibels (dB). Elle se mesure à l'aide d'un sonomètre.
L'échelle des décibels n'est pas linéaire.
Par exemple : 40dB + 40dB = 43dB
Passer de 40 à 50 décibels revient à multiplier le niveau sonore par 10.
c) Le timbre qui colle au son.
3) Caractéristiques d'un son sur une représentation simple.
a) La longueur d'onde.
La longueur d'onde, ou période, est la plus courte distance séparant deux points de l'onde strictement identiques à un instant donné. La longeur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant une période. La longeur d'onde se note lambda.
Le timbre permet de différencier le son obtenu de deux instruments qui émettent la même note.
Chaque son est formé d'une fréquence fondamentale et de fréquences supplémentaires appelés harmoniques.
Celles-ci différencient le timbre de chaque instrument ou de chaque voix humaine.
b) L'amplitude.
L'amplitude est l'écart entre la valeur maximale et la valeur minimale d'une onde variant de manière identique en cycle.
c) La durée.
La durée est le temps pendant lequel le milieu est perturbé.
L'unité utilisée est la seconde (s).
-Schéma récapitulatif-
4) Calcul de ces caractéristiques.
La fréquence et la période sont liées par le rapport suivant :
f=1/T
La longueur d’onde se calcule à l’aide de la formule suivante :
λ=V.T
On en déduit la formule suivante liant la longueur d’onde et la fréquence de l’onde:
λ=V/f
-
f : la fréquence en Hertz.
-
T : la période en seconde.
-
V : la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau m.s-1 .
-
λ : la longueur d’onde en mètre.
5) Différents sons.
a) Sons aigus et sons graves.
Un son peut être plus ou moins aigu. Cela dépend de sa fréquence.
Plus la fréquence d'un son est élevée, plus celui-ci est aigu ;
à l'inverse, plus elle est faible, plus le son est grave.
-Entre ultrasons et infrasons-
Sur les représentations des sons aigus et des sons graves, nous pouvons remarquer que plus le bruit est aigu plus les fréquences sont élevées; il en résulte donc que les variations sont plus rapides.
Le phénomène est inversé pour les sons graves.
b) Le domaine audible par l'homme.
L' oreille humaine est capable de percevoir les sons dans une plage de fréquences comprise entre 20Hz ( très grave) et 20 000hZ ( très aigu )
Un infrason est un son dont la fréquence est inférieure à 20 Hz.
Sa fréquence est donc trop basse pour être perçue par l'oreille humaine.
L'ultrason est un son dont la fréquence est supérieure à 20000 Hz. Leur fréquence est trop élevée pour être entendue par l'oreille humaine. Les chiens ou les chauves-souris peuvent entendre ces sons.
Diapason en la3.
c) Les infrasons.
d) Les ultrasons.
Sur cette video, nous pouvons voir et écouter les différentes fréquences du domaine audible par l'homme.
-Sons purs et sons complexes-
e) Sons purs.
f) Sons complexes.
Un son pur est produit par une vibration sonore de type sinusoïdal.
Tous les sons simples ou purs, tels qu'une note de musique, peuvent être décrits par quatre paramètres :
-
la durée,
-
la fréquence,
-
l'intensité,
-
le timbre.
L'exemple le plus connu est celui d'un diapason dont les 2 branches vibrent à une fréquence de 440 Hz.
La note obtenue est le la3 , une référence pour les musiciens qui leur permet de s'accorder sur la même note.
Un son complexe correspond à la somme de plusieurs sons purs.
Grâce à l'amplitude de chacune de ces vibrations de sons purs dont les fréquences sont des multiples entiers de la "fondamentale", on peut trouver des sons complexes de hauteur identique mais de timbre différent.
La sensation auditive est effectivement bien différente pour une même note jouée par deux instruments de musique différents.
Le son pur correspond à une vibration sinusoïdale de l'air qui est caractérisée par une seule fréquence. Une onde sinusoïdale est la forme d'onde la plus pure qui existe.
Amplitude
Le son complexe porte bien son nom , en effet il additionne les différents harmoniques qui composent le son.
-Schéma récapitulatif sons purs et sons complexes-
Un son complexe est donc une addition de sons purs.
-Fréquences fondamentales et harmoniques-
g) Fréquence fondamentale.
La fréquence fondamentale est l'harmonique de premier rang d'un son.
Les harmoniques d'un son musical sont des fréquences multiples entiers de cette première harmonique.
La fréquence fondamentale détermine la hauteur du son.
Schéma montrant la composition d'un signal complexe composé de la fréquence fondamentale et d'un harmonique.
h) Harmoniques.
Un harmonique est un composant à part entière d’un son musical (et plus généralement d'une onde), qui possède une fréquence multiple de la fréquence fondamentale etc.
Par exemple en prenant comme note fondamentale le « la3 » (440 Hz) du piano, les harmoniques sont toutes les notes ayant pour fréquence un multiple de 440.
Les harmoniques d’une note sont donc forcément plus aigus que cette note et s'appelent harmoniques supérieurs
Les Harmoniques déterminent le timbre du son.
6) Les représentations du son.
Pour certains, les représentations du son sont un mode de vision de celles-ci mais ces représentations sont variées et parfois complexes.
a) La représentation temporelle.
Cette représentation montre l'évolution de l'intensité du signal dans le temps.
b) La représentation fréquencielle (ou spectrale)
Ce mode permet de visualiser la composition fréquencielle d'un son mais également l'intensité de chaque fréquence.
c) La représentation par sonogramme ou spectogramme.
C'est une représentation du son par le temps et la fréquence.
La répartition énergétique du son est tracée à l'aide de couleurs.
Ce mode de visualisation est un des plus complets mais surtout des plus complexes.
d) La représentation par partitions.
Utilisées par tous les musiciens du monde, les partitions permettent de reproduire une même "note" à l'aide d'instruments, et donc de sons, différents.
