TP 3 Acoustique musicale I. La flûte de Pan - rmspc

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TP 3 Acoustique musicale
Objectifs : Réaliser l’analyse spectrale d’un son musical et l’exploiter pour en caractériser la hauteur et le timbre.
I. La flûte de Pan
Problématique : Dans une flûte de Pan, quelle est l’influence du tuyau choisi sur la note jouée
et sur son spectre ?
Document 1 : La flûte de Pan d’après www.instrumentsdumonde.fr
La flûte de Pan comporte une série de tuyaux de bois d'inégales longueurs et assemblés en radeau. Les tuyaux n'ont
pas d'embouchure aménagée: on souffle sur l'ouverture supérieure des tubes pour produire les notes. Cette flûte est
répandue principalement en Amérique latine, en Océanie et en Roumanie. L’instrument appartient à la catégorie des
aérophones : le son est produit par vibration de la colonne d’air.
Document 2 : Note de musique et spectre
A la différence d’un bruit qui est un signal désordonné, un son ou une note ont des
représentations périodiques. Le spectre d’une note de musique est un graphique qui indique
l’intensité des fréquences sonores présentes dans le son joué. Le spectre d’une note est
constitué de pics, chacun associé à une fréquence particulière. Le pic de plus basse fréquence
est appelé fondamental. Le spectre d’un son est obtenu par un outil mathématique appelé
« Transformée de Fourier » disponible sur de nombreux logiciels de traitement du son, comme Audacity®. Le spectre
identifie la note de manière univoque, chaque note ayant un spectre différent : il joue le rôle de « code barre ». La
hauteur d’une note est la sensation physiologique qui permet de distinguer une note grave d’une note aiguë.
Document 3 : Matériel à disposition
Microphone, ordinateur, logiciel Audacity®, tubes à essai, eau.
ANALYSER
formuler des hypothèses
A B C D
1. Quel est le paramètre qui permet à chaque tuyau de jouer une note différente ?
2. Selon vous, quel tuyau produit la note la plus grave ? la plus aiguë ?
REALISER
rédiger un protocole
A B C D
3. Réaliser un enregistrement pour vérifier la phrase soulignée du document 2.  APPEL
4. Comment qualifier un tel signal et comment le caractériser ?
5. Proposer puis mettre en œuvre un protocole expérimental pour répondre à la problématique.  APPEL
VALIDER
discuter de la validité d’une hypothèse
A B C D
6. Les résultats expérimentaux sont-ils conformes à vos prévisions de la question 2 ?
COMMUNIQUER
rédiger une synthèse
A B C D
7. Dans un paragraphe de synthèse, répondre à la problématique en employant entre autres les termes
spectre, note, grave, aigue, hauteur, fondamental, fréquence.
II. Les harmoniques
1. Enregistrer le son produit en soufflant dans un tube vide et obtenir son spectre.
2. Le son produit ne contient-il qu’une unique fréquence ? Comment les pics semblent-ils disposés le long du spectre ?
Ces autres pics sont appelés harmoniques.
3. Dans Régressi® (Fichier > Nouveau> Clavier), consigner la fréquence des cinq premiers pics en fonction de leur rang
(pic n°1, pic n°2,…).  APPEL
4. Construire la représentation graphique donnant la fréquence selon le rang. A l’aide du ruban à gauche du graphique
« Modélisation », choisir un modèle.
5. Parmi les propositions suivantes, laquelle vous semble appropriée pour décrire les harmoniques ?
 a. f n  f1  n.f
 b. f n  n. f1
 c. Tn  n.T1
Préciser le sens de chaque symbole de l’équation.
6. Traduire dans une phrase en français la signification de la proposition cochée.
III. Timbre d’un son
Problématique : Le timbre d’un son est la sensation physiologique qui permet de distinguer deux sons de
même hauteur joués par deux instruments différents. Comment expliquer qu’on distingue un Do3 joué sur
deux instruments différents ?
1. Ouvrir le projet Audacity® « do_majeur_violon ». Écouter la bande son.
2. Procéder de même pour la gamme en do majeur jouée à la guitare.
3. La gamme jouée au violon et celle à la guitare sont les mêmes, ce sont les gammes en do3 majeur. Bien que les notes
jouées soient les mêmes, peut-on identifier à l’oreille quel instrument joue sur chaque bande son ?
4. Obtenir le spectre du Do3 joué à la guitare, en faire une copie d’écran et la coller dans un document Word ou
LibreOffice.
5. Faire de même avec le Do3 joué au violon.
6. Comparer les spectres pour répondre à la question : Parmi les propositions suivantes, laquelle vous semble
appropriée pour caractériser le timbre ?
 a. Le timbre est lié à la fréquence du fondamental
 b. Le timbre est la relation entre le fondamental et les harmoniques
 c. Le timbre est lié au nombre et à l’amplitude des harmoniques.
Correction
I.1. La noté jouée dépend de la longueur du tuyau.
I.2. Plus le tuyau est court, plus la note est aiguë.
I.3. Relier le microphone à l’ordinateur. Ouvrir Audacity. Porter un tube à essai à ses lèvres. Déclencher
l’enregistrement et souffler dans le tube non loin du microphone. Zoomer sur l’enregistrement pour observer un motif
périodique.
ICI : Durée 00 h 00 min 00.021 s
I.4. Il s’agit d’un signal quasiment périodique. On le caractérise par son amplitude et sa période. Ici la durée de 10
motifs est de 0,021 s. Chaque motif dure donc 2,1 ms, c’est la période. La fréquence du signal est donc f = 1/T = 476
Hz.
I.5. – A l’aide du microphone et du logiciel Audacity®, enregistrer le son produit en soufflant dans un tube à essai vide.
- Sélectionner une partie du signal et tracer son spectre (Analyse > Tracer le spectre)
- Consigner dans un tableau les fréquences des pics présents sur le spectre
- Recommencer avec un tube comprenant quelques cm d’eau.
- Comparer les spectres.
Réglages : Fenêtre rectangulaire, taille de 1024.
I.6. Oui car la note la plus aiguë est obtenue avec le tube contenant un fond d’eau.
I.7. La hauteur d’une note permet de distinguer s’il s’agit d’une note grave ou aigue. La hauteur d’une note peut se
visualiser sur son spectre : en effet, plus la note est aiguë, plus la fréquence du fondamental est élevée.
II. Placer le curseur de la souris non loin des pics et lire en bas de la fenêtre la
fréquence du pic à côté de « Crête ». Modèle affine.
II.5. Proposition b : les fréquences sont multiples les unes des autres, le pic n°2 a une fréquence double du 1er ; le pic
n°3 a une fréquence triple du 1er, etc…
II.6. Les fréquences des harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence du fondamental. Ce multiple est leur
rang ( ! 1ère harmonique = rang 2 car second pic; 2ème harmonique = rang 3 car troisième pic,…)
III.
Spectre du Do3 à la guitare :
Spectre du Do3 au violon :
II.5. Les deux spectres ont sensiblement le même fondamental, donc les notes sont de même hauteur (c’est bien un
Do3 dans les deux cas) par contre la distribution en harmoniques est très différente. Il faut donc retenir la proposition
c : c’est la richesse en harmonique qui donne son timbre à un instrument.