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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 : Un des tuyaux d’une flûte de Pan s’est brisé. Il produisait

une note correspondant à un Ré4#. On cherche à remplacer ce tuyau

sonore au laboratoire.

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.

Document 4 : Fréquences des notes de la quatrième octave de la gamme tempérée

Note Do4 Do4# Ré4 Ré4# Mi4 Fa4 Fa4# Sol4 Sol4# La4

f/Hz 523 554 587 622 659 698 740 784 831 880

Document 5 : Fréquences produites par un tuyau sonore selon la hauteur de la colonne d’air vibrante

h/cm 8 9 10 11 12 13 14 15 16

f/Hz 883 840 810 733 677 582 541

ANALYSER formuler des hypothèses A B C D

1. Quel est le paramètre qui permet à chaque tuyau de jouer une note différente ?

REALISER rédiger un protocole A B C D

2. Proposer puis mettre en œuvre un protocole expérimental qui s’appuie sur des spectres sonores et qui

permette de compléter le document 5. APPEL

3. Tracer avec Latis Pro le graphique représentant la période de l’onde sonore produite en fonction de la

hauteur de la colonne d’air vibrante et modéliser les résultats obtenus. APPEL

VALIDER confronter les résultats aux valeurs attendues A B C D

4. Proposer un protocole pour réaliser le tube manquant de la problématique.

5. Mettre en œuvre le protocole pour vérifier que le tube produit un Ré4#. On tolérera un écart relatif de 2%

avec la valeur attendue.

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. Consigner la fréquence des cinq premiers pics en fonction de leur rang (pic n°1, pic n°2,…).

4. Parmi les propositions suivantes, laquelle vous semble appropriée pour décrire les harmoniques ?

a. 1 .nf f n f

b. 1.nf n f

c. 1.nT nT

Préciser le sens de chaque symbole de l’équation.

5. 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 et faire de même avec le Do3 joué au violon.

5. Comparer les spectres, reproduits ci-dessous, 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.

Document 6 : Spectre du Do3 au violon

Document 7 : Spectre du Do3 à la guitare