Thème : ondes et signaux  Cité scolaire André Chamson

TP 7 : caractéristiques d’un son - Correction

Objectifs : - relier la fréquence à la hauteur d’un son. - relier forme du signal et timbre sonore. - relier amplitude et niveau sonore. - utiliser un microcontrôleur pour générer un son.

I°) La      hauteur d’un son   

Sur le bureau, ouvrir Public → 2nde physique → SynthétiseurLe synthétiseur permet comme son nom l’indique de synthétiser (simuler) une grande quantité d’instruments demusique. Il se présente sous la forme d’un clavier annoté de lettres correspondantes à des notes (notation anglo-saxonne).

Sélectionner la flûte comme instrument.

1°) Jouer les notes Do4 et Sol4 à la flûte. A l’oreille, quelle est la note jouée la plus aiguë ? la plus grave ?

A l’oreille, la note la plus aiguë est le sol4. Sur un piano, les notes les plus grave sont sur la gauche (se jouent avec la main gauche) et les notes les plus aiguës sont sur la droite (se jouent avec la main droite).

Avec Audacity, réaliser un enregistrement des 2 notes précédentes sur 2 pistes différentes. • Sur le synthétiseur, mettre Durée sur 2000 ms au moins (donc 2s). • Pour ajouter une nouvelle piste : Pistes → Ajouter nouvelle → Piste mono • Attention avant d’enregistrer la 2nde piste, mettez la 1ère sous Silence. • Pour amplifier : Effets → Normaliser → Valider

Do2 Ré2 Mi2 Fa2 Sol2 La2 Si2 Do3 Ré3 Mi3 Fa3 Sol3 La3 Si3 Do4 Ré4 Mi4 Fa4 Sol4 La4 Si4 Do5

Mettre Windows Wasabi (à la place de MME)

Met sous silence la piste sélectionnée pour lire ou enregistrer une autre piste.

Choisir un canal d’enregistrement (mono)

2°) Reproduire rapidement sur votre feuille les 2 signaux (à la même échelle).

3°) Les signaux sont-ils périodiques ? Déterminer la période T et la fréquence f de chaque note jouée. Remarque : pour plus de précision, mesurer au moins 10 périodes T.

Oui car on observe la répétition d’un motif élémentaire.

Note Do4 :

10 T = 0,019 s → T = 0,0019 s

Donc

Note Sol4 :

10 T = 0,013 s → T = 0,0013 s

Donc

Pour qualifier la sensation auditive précédente, les musiciens utilisent le terme hauteur. 4°) A quelle grandeur physique est liée la hauteur d'un son ?

Le terme hauteur signifie fréquence (c’est un synonyme).

Sol4 à la flûte

Do4 à la flûte

10 T

10 T

f = 1T

= 10,0019

f = 526Hz

f = 1T

= 10,0013

f = 769Hz

5°) Comment évolue cette grandeur lorsque le son devient plus aigu ?

Un son haut veut dire que sa fréquence est élevée (son aigu).Un son bas veut dire que sa fréquence est basse (son grave).

II°) Le timbre sonore

La fréquence d’une note dépend-t-elle de l’instrument ?

1°) Proposez une démarche expérimentale (protocole) permettant de répondre à cette problématique. Réalisez ces expériences.

Il suffit de faire l’enregistrement d’une même note mais pour 2 instruments différents.

2°) Reproduire rapidement sur votre feuille les signaux pour chaque instrument (à la même échelle).

Sans faire de calculs, on voit directement que les périodes sont identiques et donc que les fréquences sont les même. Donc la fréquence de la note ne dépend pas de l’instrument.

3°) Qu'y a-t-il de commun à ces signaux ? Qu'est-ce qui les différencie ?

Ces signaux ont la même fréquence (même hauteur).Ils n’ont pas la même forme.

4°) Qu’est-ce qui caractérise le timbre d’un son ?

Le timbre d’un instrument est caractériser par la forme de son signal sonore.L’oreille humaine est capable de distinguer une même note mais jouée par 2 instrument différent, elle est donc sensible au timbre.

III°) Intensité et niveau sonore

Avec votre smartphone, télécharger l’application Sonomètre pour mesurer le niveau sonore L.

Toujours dans le dossier 2nde physique, ouvrir avec Audacity les sons des 2 diapasons.1°) Zoomer sur les signaux et dire quel(s) sont les différence(s) ?

Mesurer et noter le niveau sonore de chaque diapason (garder la même distance aux haut parleurs).

Sol4 au piccolo (petite flûte)

Sol4 au violon.

Ils n’ont pas la même amplitude. Le diapason 2 a une amplitude plus grande que le 1.

2°) Mesurer et noter le niveau sonore de chaque diapason (garder la même distance aux haut parleurs).

Diapason 1 Diapason 2

3°) Quel est le lien entre amplitude du signal et niveau sonore ?

Plus l’amplitude du signal est grande est plus le niveau sonore est élevé.

4°) Mesurer le niveau sonore L dans la classe.

On mesure environ 65 dB.

5°) Mesurer le niveau sonore L pour différentes distances. Comment évolue le niveau sonore L en fonction de la distance à la source sonore ? »

Distance (m) 0,86 2,00 3,00 4,00

L (dB) 79,3 72 68,4 65,9

Le niveau sonore diminue avec la distance.

Amplitude

Diapason 1

Diapason 2

IV°) Production d’un son numérique

Doc 1 : la carte Arduino (microcontrôleur)

Les bornes de branchement sur lemicrocontrôleur s’appellent des pins.

Le pin GND est la masse (c’est le « - »du générateur)

Un buzzer est un petit haut parleur électrique, il émet alors un son de même fréquence que le signal électrique qui l’alimente.

Les pins Digitals (2 à 13) peuvent générer des tensions rectangulaires dont la période T peut être contrôlée.Un signal rectangulaire est un signal périodique qui présente deux états :

- Un état bas (LOW en anglais), de valeur de tension nulle.

- Un état haut (HIGH en anglais), de valeur de tension 5 volts.

Doc 2 : programme Arduino

Le microcontrôleur doit être programmé pour effectuer des taches. Chaque programme sous le logiciel Arduino se compose de la même manière :

Réaliser le circuit du doc 1.

HIGH (5 V)

LOW (0 V)

+

-

Carte Arduino

Définition des entrées, des

sorties ...

Définition des constantes, des

variables ...

Exécution du programme indéfiniment

Pins

Buzzer ou HP

Lancer le logiciel Arduino Connecter la carte Arduino à l’ordinateur grâce au câble joint. Dans le menu Outils, choisir le bon type de carte (ici Arduino Uno). Dans le menu Outils, choisir le bon port de communication.

On souhaite générer un son de fréquence f = 440 Hz (note La3 du diapason) à l’aide du buzzer (ou petit haut parleur) avec la sortie digital 7 de la carte Arduino. La tension sera haute sur la moitié de la période et basse le reste.

1°) Quelle doit être la période T en s de la tension qui génère le son ?

f = 440 Hz →

(soit 2270 µs)

Copier - coller sur le bureau, le programme La3_440_Hz.ino contenu dans le dossier 2nde physique.Avec le logiciel, ouvrir ce programme.

2°) Compléter les ? dans le programme du Doc 2 afin de générer la tension voulue. Faire vérifier par le professeur. Téléverser le programme corriger dans la carte avec l’icône et écouter le son.

Voilà le programme corrigé :

Remarque : On multiplie par 1000000 pour convertir les s en µs T/2 car on veut que la tension soit à l’état haut sur la moitié de la période.

- Ci-contre, un élève a effectué ce programme pour générer le La3 :3°) Écrire ce programme et le téléverser dans la carte et écouter le son. Qu’est ce qui est différent ?

La période T = 300+700+1000+272,72 = 2272,72 µs Donc c’est la bonne période et donc la bonne fréquence.

4°) Dessiner comme dans le doc 1, la forme de la tension générée.

T = 1f

= 1440

T = 2,27×10−3 s

Pour générer plusieurs notes pour pouvoir faire une mélodie, il faudrait alourdir le programme et il serait peu pratique de l’écrire ou de le modifier. Heureusement la commande tone(n°pin, fréquence, durée en ms) permet de le faire.

5°) Modifier le programme précédent pour générer le La3 et Mi4 (659,26 Hz) pendant 150 ms avec tone. Remarque : les notes doivent être séparées par delay(durée en ms) ; pour pouvoir être entendues Ne pas oublier de mettre ; à la fin d’une commande (instruction).

Voici le programme modifié ci-contre.

Voici le début d’une partition musicale d’un morceau bien connu avec les notes correspondantes ainsi que leurs durées en ms (au dessus):

Ci-contre, les fréquences des notes du solfège.

Écrire et téléverser le programme qui permet de jouer ce morceau. Chaque note sera séparée de la suivante par une durée égale de la note.

Voici le début du programme :

6°) Dans quel film est issu cette musique ?

Dans Star Wars (La marche impériale).

Sol3 Sol3 Sol3 Mi3b Si3b Sol3 Mi3b Si3b Sol3 Ré4 Ré4 Ré4 Mi4b Si3b Sol3b Mi3b Si3b Sol3

500 500 500 375 125 500 375 125 1000 500 500 500 375 125 500 375 125 1000

V°) Simulation d’un petit synthétiseur (s’il reste du temps)

On donne ci-dessous le début de la partition d’au clair de la Lune qui nécessite que 3 notes:

On désire jouer cette air manuellement. Pour cela réaliser le circuit ci-dessous.

Explication : lorsque l’on appuie sur un bouton poussoir, une tension électrique est détecté par le pin A0 de la carte. Immédiatement une commande est envoyée à la sortie digitale 7 pour émettre la note voulue. Ainsi à chaque bouton poussoir est attribué une note.

Branchements possibles

Do4 Do4 Do4 Ré4 Mi4 Ré4 Do4 Mi4 Ré4 Ré4 Do4

500 500 500 500 1000 1000 500 500 500 500 2000

Boutons poussoir

RésistancesR = 220 Ω

0 1 2

- Ouvrir le programme Synthetiseur_Arduini_a_completer.ino- Téléverser le programme dans la carte et appuyer sur les boutons poussoirs.

1°) Compléter alors le programme pour pourvoir utiliser les autres boutons poussoir aussi.

Voici le programme complété

2°) Donner la note attribuée à chaque bouton poussoir.

Le pin A0 est branché après le bouton poussoir 0 donc il génère la note Do4.Le pin A1 est branché après le bouton poussoir 1 donc il génère la note Re4.Le pin A2 est branché après le bouton poussoir 2 donc il génère la note Mi4.

3°) Essayer de jouer le morceau de musique.

Voir vidéo.

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