Son et musique 2 haut-parleur et microphone 1 i. le haut

Son et musique 2
i. le haut-parleur
1- la loi de Laplace
«Une portion de conducteur parcourue par un courant et placée dans un champ magnétique subit une force de Laplace.» haut-parleur et microphone
Indiquer le sens de la force de Laplace qui agit sur la membrane du haut-­‐parleur dans les deux situations présentées ci-­‐contre : 2- principe de fonctionnement du haut-parleur
Un haut-­‐parleur agit comme un double transformateur d’énergie : il reçoit un signal audio (une énergie électrique) et il le transforme en une énergie mécanique (vibrations d’une membrane). En effet, la bobine mobile du haut-­‐parleur se met en mouvement lorsqu’un signal audio est reçu. Puis le haut-­‐parleur transforme cette énergie mécanique en énergie acoustique, grâce à sa membrane. Celle-­‐ci est reliée à la bobine mobile et reproduit donc les mêmes mouvements que cette dernière. C’est en se déplaçant sous l’action de la bobine mobile que la membrane crée une pression acoustique, le son » 1 og (Iprès/I0) ! 10 log (9 Iloin/I0) donc :
log (9 ¥ 3,16 ¥ 10-8/(1,00 ¥ 10-12)) ! 55 dB.
LB ! 10 ¥ log(IB/I0) ! 10 ¥ log(IB/(1,00 ¥ 10 )).
Donc LB ! 10 · log(1,9 ¥ 10-9/(1,00 ¥ 10-12)) ! 33 dB.
18 Un sonomètre reçoit les émissions sonores prove).
nant
de deux sources distinctes (S1) et (S2haut-parleur
10 · log(I/ISon
! 10(L1/10) ¥ I0 2
etI1musique
0) donc
Lorsque
(S
)
fonctionne
seule,
le
niveau
sonore
mesuré
1
10(35/10) ¥ 1,00 ¥ 10-12 ! 3,2 ¥ 10-10 W · m-2.
est L1 ! 70 dB. Lorsque (S2) fonctionne seule le niveau
S avec P la
puissance
en W et S
3typesacoustique
de haut-parleur
sonore mesuré est L2 ! 60 dB.
en m2. 1.
a. L ! 10 · log(I/I0) donc I ! 10(L/10) ¥ I0
onde sphérique
S ! 4pd2
/10)
Un h
aut-­‐parleur d
evrait r
eproduire d(Les sons e (70/10)
fréquences d-12
e 20 I
!
¥ I0 !d10
¥ 1,00 ¥ 10
1 10 1
/(4pd2)
-5
-2
! 1,00
W · mde . la membrane à 20 000 Hz. Mais la taille, la masse et l¥a 10
rigidité 2
(L2/10) ¥ I ! 10(60/10) ¥ 1,00 ¥ 10-12
1)
I
!
10
limitent l
es f
réquences r
eproductibles. 2
0
2
2)
! 1,00 ¥ 10-6 W · m-2.
2
distingue : donc I2 !On P/(4pd
1) · 4 ! I1/4
b. It ! I1 " I2
ou boomers de 20/50 Hz à 8,0 ¥ 10-11− Wp·our m-2 les sons graves : des woofers donc
500/800 Hz lourdes et avec de ntensité sonore
L en dB
: de grande taille, de Nm!embranes t 10 · log(It/I0)
og(I2/I0) !grandes 10 ¥ log(8,0
¥ 10-11/1,00 ¥ 10-12)
élongations. ! 10 · log((1,00 ¥ 10-5 " 1,00 ¥ 10-6)/(1,00 ¥ 10-12))
.
− pour les sons médiums : des médiums 500/800 Hz à ! 70,4 dB.
éduit l’affaiblissement
phonique
3000/5000 Hz de m: embranes p2.
lus p
etites mpuissance
oins lourdes et en W et S la
I ! P/S avecePt la
acoustique
Aff ! L2 - L1 ! 16 dB.
2
.
surface en pmermet d’élongations plus faibles. (la technique de construire Pour
une onde sphérique
S ! 4pd2
pd12) donc
: bass-­‐médiums 100/200 Hz à
des 5000/8000 Hz 2
-10
-9
2
donc1I000/3000 ! P/(4pd ). à 20 000 Hz et 4p · d1 ! 3,2
10 les ¥ 4p
! 4,0a¥
10 :W.
− p¥our sons igus des tweeters Niveau
d’intensité sonore N en dB :
puissanceplus, sonore
L enm
dBembrane, :
sans le dôme hémisphérique suffit pour faire -12
L ! 10 · log(I/I0)
10 · log(P/P0) avec P0 ! 1,00 ¥ 10 W.
vibrer -9l’air. -12
donc
L
!
10
·
log(P/(4p
· I0 · d2)).
! 10 · log(4,0 ¥ 10 /(1,00 ¥ 10 )) ! 36 dB.
Certaines enceintes acoustiques p
ossèdent, e
n p
lus des · h
Au départ L1 ! 10 · log(P1/(4p
I0 aut-­‐
· d2))
gre ces pondérations
pour
évaluer
le
niveau
(L
/10)
2
parleurs, un trou dans le boîtier, donc
appelé vent. es · oI0scillations de 1
P1 ! é10
·L4p
·d
sonore effectivement
perçu
par
l’oreille.
! 10d(70/10)
4p ¥qui 1,00peuvent ¥ 10-12 ! 4p ¥ 10-5 W.
la membrane du haut-­‐parleur produisent es s¥ons final L1 ! L2 ! 10 · log(P1/(4p · I0 · (d " x)2))
interférer. Un évent élimine les iAu
nterférences. donc
P1/(4p · I0 · (d " x)2) ! 10(N2/10)
125 250 500 1 000 2 000
Hz)
donc (d " x)2 ! P1/(4pI0) · 10(N2/10)
26,9 expérience
36,4
47,8
39
4: la 32
bande donc
passante
d’un
haut-parleur
-5/(10-12
(1 " x)2 ! 10
· 10(60/10)) ! 10
4,90
4,36
6,03
7,94
1,58
donc
1
"
x
!
3,16
et
x
!
2,16
m.
00 ¥ 10-12 ¥ 10-10 ¥ 10-9 ¥ 10-8 ¥ 10-9 ¥ 10-9
et microphone
Un haut-­‐parleur présente une bande passante, autrement dit un intervalle de fréquence de meilleure utilisation 47 ¥ 10-8 ( Wle ·m
.
n-2
iveau d’intensité acoustique y est moins atténué )DES
. ÉVALUATION
COMPÉTENCES
-8/(1,00 ¥ 10-12))
g(It/I0) ! 10
¥
log(7,47
10esurer On souhaite ¥m
la bande passante d’un haut-­‐parleur. Pour cela réaliser le montage du dispositif EXPÉRIMENTALES
# 50 dB. expérimental présenté dans la figure ci-­‐dessous : Mesure de la bande passante d’un haut-parleur
gêne donc pas
ses voisins.
! 10 ¥ log(I/I0) avec I0 ! 1,00 ¥ 10-12 W · m-2
0(L/10) ¥ I0 ! 10(90/10) ¥ 1,00 ¥ 10-12
0-3 W · m-2.
p2 donc p2 ! r · v · I ! 1,2 ¥ 340 ¥ 10-3.
1.
caisson phonique
K
sonomètre
V
GBF
haut-parleur
0,64 Pa.
écialité – Thème•2
•
•
•
•
•
Régler le GBF pour obtenir une tension sinusoïdale d’amplitude 0,5 V (visualiser la tension aux Son et musique
bornes du haut-­‐parleur à l’aide d’Acute). Faire varier la fréquence f de 100 Hz à 20000 Hz, en veillant à maintenir la tension à 0,5 V et, pour chaque fréquence, mesurer le niveau d’intensité sonore L. 27/07/12 10:54
Construire un tableau de mesures pour relever plusieurs couples (f ;L). Sur un papier semi-­‐logarithmique, construire le graphe qui traduit l’évolution du niveau d’intensité acoustique L en fonction de la fréquence f. Sur la courbe de réponse du haut-­‐parleur ainsi construite : -­‐
indiquer la valeur maximale Lmax du niveau d’intensité acoustique ; -­‐
tracer une droite parallèle à l’axe des abscisses, qui représente un niveau d’intensité acoustique de valeur Lmax -­‐ 3 dB ; -­‐
repérer sur la courbe les points qui correspondent aux intersections de cette droite et de la courbe de réponse du haut-­‐parleur ; -­‐
noter les deux valeurs de fréquence fmin et fmax correspondantes L’intervalle [fmin , fmax ] correspond à la bande passante du haut-­‐parleur . Indiquer la bande passante de ce haut-­‐parleur. 2 Son et musique 2
haut-parleur et microphone
5- application 1 : niveau d’intensité sonore et distance
Comment évolue le niveau d’intensité sonore lorsque la distance est doublée ? Aide : • Ecrire la relation théorique qui existe entre le niveau d’intensité sonore et la distance. •
!
!0
!
Relations utiles : ! = 10 !"# et ! = . , où P est que la puissance émise par l'émetteur, supposée à !
être distribuée dans une sphère d’aire S=4!×!"#$%! •
En déduire qu’une perte de 6 dB est observée si la distance est doublée. ii. le microphone
1- l’induction électromagnétique
• Introduisons un aimant dans une bobine
connectée à un galvanomètre.
o Un courant circule dans la bobine pendant
la durée du mouvement del'aimant.
• Retirons l'aimant.
o Le courant circule dans le sens opposé.
• Maintenons l'aimant immobile dans la bobine.
o Rien ne se passe.
• Maintenons l'aimant fixe et approchons la bobine.
o Un courant circule dans la bobine pendant
la durée du mouvement de l'aimant.
Le phénomène observé s'appelle induction électromagnétique. Le courant observé s'appelle courant induit. 2- principe de fonctionnement du microphone
Un microphone est un transducteur, autrement dit un dispositif qui convertit une grandeur en une autre : il convertit la variation de pression acoustique liée aux vibrations sonores en variation d’énergie électrique. Son fonctionnement nécessite la présence d’un amplificateur incorporé. Différents types de microphones existent afin d’adapter la prise de son à la tâche à réaliser : interview, prise de son d’ambiance, enregistrement d’instruments de musique . Tous les microphones ne perçoivent donc pas les sons de la même manière. Certains sont conçus pour les capter, avec la même sensibilité, quelle que soit leur direction d’incidence ? D’autres captent uniquement les sons provenant d’une direction unique ( de l’avant, de l’arrière, des côtés). De plus, un microphone ne présente pas la même sensibilité selon la fréquence du son reçu. La directivité et la fidélité sont deux caractéristiques à prendre en compte lors du choix d’un microphone. 3 Son et musique 2
il d’audibilité
pour l’oreille correspond à une
3. a.
-5
3- application
: àla
fidélité
d’un microphone
acoustique
2,0 ¥correspond
10 Pa2et
un
’audibilité pourde
l’oreille
uneniveau
3.d’ina.
haut-parleur et microphone
GBF
onore
dB.
Le-5seuil
deniveau
douleur
ustiquede
de02,0
¥ 10
Pa et un
d’in-correspond
GBF
Pour vérifier la f20
idélité d’un icrophone, re de 0 dB.
Le seuil
de douleur
correspond
ession
acoustique
de
Pa
et
unmniveau
d’in-on étudie en incidence nPa
ormale lniveau
a tension, notée U, produite par le on
acoustique
de
20
et
un
d’inonore de 120 dB.
oscilloscope
ou interface
d’acquisition
pour des sons de différentes fréquences fson ( 100 re de 120microphone dB.
oscilloscope
ou interface
d’acquisition
diogramme
est Hun
médical
qui pour
teste
Hz, 2000 z, eexamen
t 9000 Hqui
z) pteste
ar exemple). l’oreille correspond à une
3. Le
seuil
d’audibilité
3. a.
gramme est un examen médical
axe du
microphone
q
-5 Pa et un niveau
axe
du
microphone
q
pression
acoustique
de
2,0
¥
10
d’inen eillant àdif mdB
aintenir n son produit n.évalue
Il évalue
la d’audition
perte• d’audition
pour udifla perte
envdB
pouren
GBF
tensité sonore
de 0 dB. Le o
seuil
douleur correspond
constante, n ede
nregistre la uences audibles.
fréquences
audibles. d’amplitude à une pression acoustique de 20 Pa et un niveau d’in-
oscilloscope
ou interface
d’acquisition
tension de sortie du microphone pour une tensité
sonore de 120 b.
dB.Il faut déplacer la source tout en conservant une disdeur acoustique
qui caractérise
l’émetteur
grandeur
acoustique
qui
caractérise
l’émetteur
fréquence donnée b. Il faut déplacer la source tout en conservant une disa puissance acoustique P. C’est
une
puis4. Un
audiogramme
est
un examen
médical quiconstante.
teste
tance
au
microphone
axe du microphone
q
• on fait lP.
’analyse pectrale du signal produit emicrophone
t st la puissance acoustique
C’est sune
puistance
au
constante.
l’audition.
d’audition
en
dB
pour
difelle s’exprime en watt (symbole
W). Il évalue la perte
c.
L’incidence
est
normale
lorsque
la
direction
de
proon férentes
mesure la fréquence fondamentale fréquences
nc sonore
elle s’exprime
en watt
(symbole
W).audibles.
c. L’incidence
normale
lorsque
eur
étudié en acoustique
physiolopagation
desdistances ondes
sonores estest
parallèle
à l’axe
du la direction de pro- • on 5.
répète c
es m
esures p
our dcaractérise
es a.
La
grandeur
acoustique
qui
l’émetteur
b.
Il faut déplacer
la à
source
en conservant
une disepteur
reille. sonore étudié en acoustique physiolomicrophone
arrive des
alorsondes
perpendiculaire
la
pagation
sonores
est tout
parallèle
à l’axe
du
source -­‐ m
icrophone ifférentes P.:el’onde
t pour sonore
est
la puissancedacoustique
C’est
unedes puistance au microphone constante.
acoustique
qui
le
caractérise
est
la
presmembrane.
t l’oreille.
microphone
: l’onde
arrive
alors perpendiculaire
à la
sons de donc
fréquences différentes sance
elle s’exprime
en watt (symbole
W).
c. L’incidence
est normale
lorsque la direction de proque p.
eur acoustique
qui le caractérise
laMesures
pres-en acoustique
b. Le récepteurest
sonore
étudié
physiolo pagation des ondes sonores est parallèle à l’axe du
membrane.
ité acoustique
I est une
puissance
par
unité
gique
est
l’oreille.
microphone : l’onde arrive alors perpendiculaire à la
Résultats d
e m
esure :
ustique p.
fGBF = 64,7 Hz fGBF = 2,034 kHz fGBF = 9,283 kHz
est la preslle s’exprime
donc en W · m-2La. grandeur acoustique qui le caractérise
membrane.
Mesures
f du signal transmis
sion
acoustique p. par unité
tensité
acoustique
est une
puissance
’intensité
d’intensité Isonore
L s’exprime
Mesures
fGBF =kHz
64,7 Hz 9,058
fGBFkHz
= 2,034 kHz fGBF = 9,283 kHz
À 5 cm
64,57 Hz par unité2,035
6. a.
I est une puissance
e, elle s’exprime donc en
WL’intensité
· m-2. acoustique
fGBF = 64,7 Hz fGBF = 2,034 kHz fGBF = 9,283 kHz
-2
surface,
elle s’exprime
donc
· m .Hz
À 10
cm en W64,34
2,035 kHz
9,295
kHz
acoustique est multipliéedepar
2, alors
f du signal
transmis
f du signal transmis
uitéd’intensité
d’intensité
L s’exprime
Le sonore
niveau d’intensité
d’intensité
sonore
L s’exprime2,035 kHz
À
16 cm
64,96 Hz
9,315 kHz
2 ¥ I/I0) ! 10 ¥ log(2) " 10 ¥ log (I/I0) ! 3,0 " L.
À 5 cm
64,57 Hz
2,035 kHz
9,058kHz
kHz
À 5 cm
64,57
Hz
2,035 kHz
9,058
en dB.
À 22 cm
64,74 Hz
2,033 kHz
9,286
kHz
ensité acoustique de la source est doublée,
À 10 cm
64,34 Hz
2,035 kHz
9,295 kHz
b. Si l’intensité acoustique est multipliée
par
2,
alors
À Hz
10 cm 2,037
64,34
Hz 9,147 kHz
2,035 kHz
9,295 kHz
ensité sonore
acoustique
estbien
multipliée
2, alors
ntensité
augmente
de¥3log
dB.(2 ¥par
cm " 10 ¥65,08
kHz
À 16 cm
64,96 Hz
2,035 kHz
9,315 kHz
L¢ ! 10
I/I0) ! 10À¥28
log(2)
log (I/I
0) ! 3,0 " L.
À est
16doublée,
cm
64,96
Hz
2,035 kHz
9,315
og
(2 ¥ I/I
)
!
10
¥
log(2)
"
10
¥
log
(I/I
)
!
3,0
"
L.
À
22
cm
64,74
Hz
2,033
kHz
9,286kHz
Lorsque
l’intensité
acoustique
de
la
source
d’intensité
sonore
donc
l’intensité
acous0 microphone présente-­‐t-­‐il un 0domaine de fréquences pour lequel il est le plus fidèle ? Si oui, lequel Le ? kHz
Pour
une
fréquence
de
870
Hz
le niveau
d’intensité sonore augmente bien
3 dB.
À 28Hz
cm
65,08 Hz
2,037 kHz
9,147kHz
kHz
À 22decm
64,74
2,033 kHz
9,286
lorsque la distance à la source
augmente.
’intensité
acoustique de la source est doublée,
7. Le niveau d’intensitéAngle
sonore
donc l’intensité
60 80 100 120 140 160
d’incidence
q (en °) acousce
sonore4exerce
une pression
dite
d’intensité
sonore
augmente
bien
de la3 distance
dB.
À
28
cm0 20 40
65,08
2,037
kHzHz
PourHz
une fréquence
de 870
application
3décroît
: presla
directivité
d’un
microphone
tique
lorsque
à
la
source
augmente.
Amplitude
de
la
tension
que sur le tympan.
60 56 56 Angle
50 36
36
32
24
24
d’incidence q (en °) 0 20 40
(en
mV) une pression dite preseau d’intensité sonore donc
8. Unel’intensité
source sonoreacousexerce
9,147 kHz
60 80 100 120 140 160
Amplitude
de la
tension
esurer le On niveau
d’intensité
sonore
de lla
Pour
fréquence
870
acoustique
surdle
tympan.
appelle θ l’angle que fait ’axe ’un haut-­‐
Mesures : p340
our une d220
e Hz
8200
70 z 56 50 36 36 32 24 24
360
320
300fréquence 280 de
260 240
Angle
d’incidence
q (en °)une
60 H56
croît
lorsque
latenir
distance
àsion
la
source
augmente.
(en mV)
e pondérer
pour
compte
de
la
sensiparleur avec celui 9.
du Ilm
icrophone. faut
mesurer leIl niveau
d’intensité
sonore de la
Amplitude
de la tension
360 340
280 260
220 200
d’incidence
(en °)24
60 56 56 Angle
50
36
24
120240140
160
40
60 32080300 100
Angle d’incidence
q (en
°)36 032 q20
eille
pour
chaque exerce
fréquence
ource
sonore
une
pression
dite (en
pressource
puis
le pondérer
pour
correspond ainsi àsonore.
l’angle d’incidence dmV)
e tenir compte de la sensiAmplitude de la tension
60 56 56 50 36 36 32 24 24
de la tension
bilité
de l’oreille
pour chaque fréquenceAmplitude
sonore.
(en mV)
ut s’éloigner
source(car
en
l’onde onore voir fs’éloignant
igure au-­‐dessus). ustique
surde
lelastympan.
60 56 56 50 36 36 32 24 24
(en
mV)
4. de la source car
10.
a. On d
peut
fGBFen
= s’éloignant
64,7 Hz fGBF = 2,034 kHz fGBF = 9,283 kHz
le niveauPour d’intensité
sonore
diminue.
étudier la directivité ’un s’éloigner
microphone, 4.
mesurer
le
niveau
d’intensité
sonore
de
la
= 64,7 Hz fGBF = 2,034 kHz fGBF = 9,283 kHz
de
la
source,
le
niveau
d’intensité
sonore
diminue.
320 300 280 260 240 220 200
d’incidence
q (en °) 360fGBF340
éaliser unon audiogramme
pour vérifierpque
cherche à représenter, our une fmoy du signal Angle
64,73
Hz
2,035
kHzdu signal 9,220 kHz
fmoy
b. On
peut réaliser
un sensiaudiogramme
pour vérifier que
transmis
uis
le
pondérer
pour
tenir
compte
de
la
64,73 Hz
2,035 kHz
9,220 kHz
a pas été fréquence affectée. donnée ( 800 Hz par exemple) et Amplitude de la tension
transmis
l’audition n’a pas été affectée.
60 ¥ 10
56-1 %-256 50 36 -2 36 32 24-1 24
Écart relatif
4,92 ¥ 10-2 %
6,79
4,64 ¥ 10-2 %
distance source-­‐microphone fixée, l’oreille une pour
chaque
fréquence sonore.
Écart relatif
4,92 ¥ 10 %
6,79 ¥ 10 %
4,64 ¥ 10 %
(en mV)
3
l’ensemble des couples ( U ; 3θ ) ACTIVITÉ
nques
peutd’un
s’éloigner
de la source
carp.en
La fidélité du microphone
étudiéLa
diminue
légèrement
fidélité du
microphone étudié diminue légèrement
90 s’éloignant
Caractéristiques
d’un micro
p. 90
micro
4. (ici supérieures
en hautes fréquences
environ
kHz).
en hautes
fréquences
(ici
supérieures
environ
10 kHz).
fGBF
=à64,7
Hz 10
fGBF
= 2,034
kHz fàGBF
= 9,283
kHz
rce,lelemicrophone
niveau d’intensité
sonore
diminue.
a. En
sortie,
le microphone transmet une tension
tie,
transmet 1.une
tension
électrique
(entre
bornes)
sur
undu
oscillos5. a. Umax (mV)
fmoy
signal
ut
un mesurable
pour
ntreréaliser
ses bornes)
sur
unpolaire oscillos5. que
a. mesurable
Tracer laudiogramme
e diagramme dvérifier
e ses
directivité du (mV)
microphone Umax
64,73 Hz
2,035 kHz
9,220 kHz
cope.
transmis
U en fonction de θ. Quelle est l’origine des sons n n’a pasreprésentant été affectée.
80
b. Par la mesure de sa fréquence et de son amplitude.
80: latérale, frontale sure de saprincipalement fréquence et decson
amplitude.
aptés par ce microphone ou 4,64 ¥ 10-2 %
4,92 ¥ 10-2 %
6,79 ¥ 10-1 %
La fréquence du signal est liée à celle Écart
du sonrelatif
capté,
70
e du signal
est liée
son capté,
? à celle du
l’amplitude
à son intensité. 70
TÉ
3 arrière 60
à son intensité.
c. Pour que le signal (la tension
fournit)
soitdu microphone étudié diminue légèrement
60 électrique
La
fidélité
50
ristiques
d’un micro
p. 90
le signal (la tension
électriquedétectable
fournit) soit
sur un oscilloscope.
50
en
hautes
fréquences
40 (ici supérieures à environ 10 kHz).
ur un oscilloscope.
2. a. L’amplitude
la tension transmise par le microsortie,
le microphone transmet
unedetension
40
phone
le son est plus intense ou
de lases
tension
transmise
par le augmente
microetude
(entre
bornes)
mesurable
sur unlorsque
oscillos5. a. U (mV)
lorsque
la distance
source-microphone
diminue. max
30
mente lorsque le son est plus
intense
ou
b. En conservant la distance source-microphone et l’in20
stance source-microphone diminue.
son constantes,
la sensibilité du microphone
80
mesure
de sa fréquencetensité
et dedu
son
amplitude.
vant la distance source-microphone
et
l’inpourra être évaluée à partir 10
de l’amplitude de la tenence
du signal
est liée
àmicrophone
celle
du en
son
capté,
n constantes,
la sensibilité
dusion
70
transmise
sortie.
0
évaluée
à partir
de l’amplitude de la tende à son
intensité.
0
50
100 150
268 Spécialité – Thème 2 Son et musique 60
se enlesortie.
que
signal (la tension électrique fournit) soit
oscilloscope.
le
sur
un
alité
– Thème
2
Son et musique
mplitude de la tension
transmise
04732977_.indb
268 par le microugmente lorsque le son est plus intense ou
a distance source-microphone diminue.
50
30
20
10
0
0
200
250
50
300
100
150
200
250
300
350
angle en °
350
angle en °
40
4 30
20
27/07/12 10:54