TP : hauteur, timbre, intensité sonore - pontonniers

Thème 1 : Observer – Ondes et matière
TP : hauteur, timbre, intensité sonore
Notions et contenus
Ondes sonores et ultrasonores.
Analyse spectrale. Hauteur et timbre.
Compétences exigibles
Réaliser l’analyse spectrale d’un son musical et
l’exploiter pour en caractériser la hauteur et le timbre.
L’apparition de la microinformatique a largement influencé les courants musicaux dès le début des
années 80 : les groupes comme Depeche Mode ou Orchestral Manœuvres In The Dark appartenant aux
courants musicaux électro pop (« New Wave » en France), ont créé des sons différents de ceux produits
par les instruments de musiques. L’utilisation de synthétiseurs, de la technique d’échantillonnage
(« samplage ») ont marqué cette période et ont ouvert la voie à divers courant musicaux, dont Daft Punk
est un des plus représentatifs aujourd’hui.
Depeche Mode - I Just Can't Get Enough
https://www.youtube.com/watch?v=msARqF8Wshk
Orchestral Manoeuvres In The Dark - Enola Gay
https://www.youtube.com/watch?v=4MHmsz4Dq8Q
On cherche dans l’étude qui suit à répondre aux questions suivantes :
Qu’est-ce qu’un son ? Comment le synthétiser ?
Matériel :
On utilise le système d’acquisition schématisé ci-dessous pour enregistrer les signaux produits par
différents sons.
I.
Hauteur et timbre d’un son :
Vous disposez des 3 fichiers audio suivants :
- Son du diapason produisant un la3
- Son d’une flûte produisant un la3
- Son d’un piano produisant un la3
- Son d’une flute produisant un si3
Après avoir acquis chacun de ces sons, déterminer la fréquence de chacun de ces sons et recopier le
signal obtenu.
a. Signal correspondant au la3 joué avec un diapason
b. Signal correspondant au la3 joué avec une flute
Copier le graphe correspondant ici
Copier le graphe correspondant ici
T=
F=
c. Signal obtenu avec une flute, correspondant à la note Si
T=
F=
T=
F=
d. Signal correspondant au la3 joué avec un jouet.
T=
F=
Questions :
3
1. Les notes de la gamme sont perçues comme des sons de hauteur différente. Ainsi, le la3 est plus
grave que le si3 dans la gamme tempérée, l’indice 3 faisant référence à l’octave médian d’un clavier
de piano et correspondant à la hauteur des sons produits par toute voie humaine.
Préciser à quelle grandeur physique est liée la hauteur du son. Justifier en précisant quelles courbes
utilisés.
Comment varie cette grandeur lorsqu’un son devient plus grave ?
2. Le son produit par un diapason, celui d’un violon ou d’un piano jouant la même note ne sont
cependant pas perçus de la même manière ; ils se distinguent par leur timbre, impression sonore
produite.
Préciser à quoi est lié le timbre du son. Justifier en précisant quelles courbes utilisés.
3. L’intensité sonore traduit physiquement le fait qu’un son peut être plus ou moins fort.
Préciser à quelle grandeur physique est liée l’intensité sonore. Justifier en précisant quelles courbes
utilisés.
II.
Son pur, son complexe, harmoniques
Deux sons de même hauteur émis par deux instruments différents sont perçus différemment par
l’oreille car ils n’ont pas le même timbre. Le timbre d’un son permet de reconnaître l’instrument qui
joue la note.
Document : Analyse de Fourier
Le mathématicien Joseph Fourier (1768-1830) a montré que tout signal périodique de fréquence f peut
être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux d’amplitudes différentes dont les fréquences
sont f, 2f, 3f…
Les signaux sinusoïdaux sont appelés harmoniques :
Le signal sinusoïdal de fréquence f est appelé « fondamental » ou « 1ère harmonique »
Le signal sinusoïdal de fréquence 2f est appelé « 2ème harmonique »
Le signal sinusoïdal de fréquence 3f est appelé « 3ème harmonique »
Un son complexe étant un signal périodique, on peut déterminer les harmoniques le composant. On
réalise une analyse du son et on obtient son spectre.
1. Son pur : Le son pur est le son donné par un diapason.
a. On cherche à obtenir le spectre du son produit par le diapason jouant le la3.
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Enregistrer le signal
Dans le menu traitement de Latispro, choisir Analyse de Fourier puis calcul spécifique.
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Glisser la fonction à traiter
Vérifier sur la courbe qu’un nombre entier de période a été traité
Sinon, faites une sélection « manuelle » d’un nombre entier de périodes
A l’aide du réticule, déterminer la fréquence des harmoniques présentes dans ce son
4
b. Définir ce qu’est un son pur.
2. Son complexe :
a. Faire la manipulation qui permet d’obtenir le spectre du son produit par le jouet.
Recopier ci-dessous le spectre du son obtenu :
b. Remplir le tableau qui recense les fréquences des harmoniques présentes dans ce son ainsi que leur
amplitude.
Harmonique
N°1
N°2
N°3
N°4
Fréquence
Amplitude
c. Les résultats sont-ils en accord avec la théorie mathématique de Joseph Fourier ? Justifier.
d. A quelle harmonique est liée la fréquence du son ? Justifier.
3. On désire reproduire le signal correspondant à ce son à l’aide du logiciel du synthétiseur
d’harmonique à du site :
http://www.lerepairedessciences.fr/terminale_S/1ondes/chap2/acoustique%20musicale%20harmo
niques.swf
a. Le son correspondant au signal S est-il fidèle à celui attendu ?
b. On donne ci-dessous la réponse
en fréquence du haut-parleur
utilisé (niveau sonore des sons
restitués par le haut-parleur en
fonction de la fréquence du
son :
Proposer des causes de
différences et des solutions
éventuelles dans le choix du
matériel et de la manipulation
pour augmenter la fidélité de la
manipulation.