Thèmes / Sous-thème : Son et musique / Son et Architecture

Type de ressources : Doucement complet pour une résolution de problème (partie élève et partie

prof)

Notions et contenus : Résolution de problème scientifique et étude d’acoustique. Lors de la démarche de résolution de problèmes scientifiques, il s’agit pour l’élève de : - analyser le problème posé pour en comprendre le sens - construire des étapes de résolution et les mettre en œuvre - porter un regard critique sur le résultat - examiner la pertinence des étapes de résolution et les modifier éventuellement

Compétences exigibles : (voir grille ci jointe) S’approprier : Extraire et organiser l’information utile. Analyser : Proposer une stratégie pour répondre à une problématique / Concevoir un protocole. Réaliser : Utiliser le matériel de manière adaptée et effectuer des mesures avec précision. Valider : Exploiter et interpréter des mesures / Analyser les résultats de façon critique et/ou proposer des améliorations de la démarche. Communiquer : Présenter, formuler une proposition, une argumentation, une synthèse ou une conclusion de manière cohérente complète et compréhensible. Compétences transversales : Être autonome et travailler en groupe.

Nature de l’activité : Activité expérimentale / Résolution de problèmes scientifiques

Résumé : Il s’agit de proposer aux élèves une activité de type « résolution de problème scientifique » comportant une partie

analyse de document, une partie expérimentale et une partie communication écrite.

L’activité peut s’étendre sur 3 séances de 2h. Séance 1 : En groupe : Découverte du problème à résoudre. Individuellement : Lecture et analyse des documents (possibilité de création d’une carte

mentale pour mettre en lien les informations des documents). En groupe : Mise en commun des éléments trouvés, construction des étapes de la résolution

du problème (possibilité de rédiger un plan ou une carte mentale de la résolution).

Individuellement : Rédaction des protocoles des expériences à réaliser en fonction de la liste du matériel disponible (possibilité de finir à la maison).

Séance 2 : En groupe : Mise en commun des démarches et des protocoles d’expériences. Rédaction d’un document commun (évalué et validé par l’enseignant : voir grille).

Réalisation des manipulations (évaluation par l’enseignant : voir grille), possibilité de prendre des photos pour le compte rendu final.

Séance 3 : En groupe : Rédaction d’un document commun (évalué et validé par l’enseignant : voir grille).

Il devra comprendre : - Une introduction rappelant la problématique et présentant le plan de votre réponse. - Un développement présentant de façon détaillé les différentes étapes de résolution (analyse des

données, démarche suivi, protocoles, expériences réalisées, calculs, éventuels schémas, analyse critique des résultats).

- Une conclusion avec les différents aspects répondant à la problématique Le travail peut être réalisé par groupe de 4 élèves. La composition des groupes peut être modifiée entre la séance 1 et la séance 2. L’objectif étant de mettre l’élève en situation de recherche et d’expérimentations scientifiques. Un regard critique sur les résultats obtenus sera exigé.

Pour l’évaluation des compétences : L’accent est mis sur la qualité des mesures effectuées et le regard

critique sur les résultats obtenus. On ne peut évaluer toutes les compétences mises en jeu, un choix doit

être fait sur 2 ou 3 compétences (Réaliser et Valider par exemple)

Mots clefs : terminale S enseignement de spécialité, Auditorium, réverbération, isolation phonique, acoustique active, résolution de problèmes scientifiques.

Académie où a été produite la ressource : Grenoble

Résolution de problème :

D’où provient l’extraordinaire acoustique des théâtres antiques ?

CONTEXTE DU SUJET:

Les théâtres antiques doivent leur célébrité à leur acoustique remarquable qui révèle la qualité de leur conception architecturale. Les spectateurs assis au dernier rang de ce type de théâtre, doté d’une capacité d’accueil allant jusqu’à 15000 personnes, peuvent entendre très distinctement les paroles d’un acteur situé sur la scène à une distance de plusieurs dizaines de mètres.

TRAVAIL A EFFECTUER : À l’aide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger un document dactylographié, répondant à la

problématique suivante :

« Comment les architectes de l’Antiquité ont réussi à donner à leurs théâtres une acoustique aussi remarquable ? »

Pour cela, montrer expérimentalement l’influence du mur de la Skèné et de l’absence de plafond sur l’acoustique du théâtre. Puis dans un deuxième temps déterminer par un calcul quelle doit être la profondeur maximale dmax de la scène pour que la proclamation d’un texte reste compréhensible (la vitesse du son dans l’air étant d’environ 340m/s).

Le document dactylographié devra être rendu au terme des 3 séances de 2h. Il devra comprendre : - Une introduction rappelant la problématique et présentant le plan de votre réponse. - Un développement présentant de façon détaillé les différentes étapes de résolution (analyse des

données, démarche suivi, protocoles, expériences réalisées, calculs, éventuels schémas, analyse critique des résultats).

- Une conclusion avec les différents aspects répondant à la problématique.

DOCUMENTS :

Document 1 : Théatre antique d’Epidaure. Le théâtre antique d’Épidaure est aujourd’hui encore le lieu de nombreuses représentations, car à la beauté du lieu s’ajoute une acoustique remarquable. Construit il y a plus de 2 500 ans, le théâtre d’Épidaure compte 14 000 places où les spectateurs assis sur des gradins de pierre peuvent écouter un orateur proclamer son texte sans l’aide de microphone, ou encore entendre jusqu’en haut des gradins une pièce de monnaie tomber au centre de la scène. Cette acoustique remarquable s’explique par une architecture complexe où chaque élément joue un rôle précis.

Le mur de la Skèné (7), parsemé d’alvéoles peu travaillées dans les théâtres antiques grecs, sera embelli par des colonnades, des niches et des statues dans les théâtres antiques romains.

Nathan SIRIUS 2012

Attention chaque manipulation doit être réalisée avec l’accord du professeur et en sa présence, avec un

protocole qu’il aura préalablement validé.

s ?

Document 2 : Absorption et réverbération du son.

Il ne faut pas confondre ABSORPTION et ISOLATION : Si l'absorption du son par un matériau est élevée c’est un bon isolant sonore. L’absorption est un phénomène de surface, qui est en générale obtenue avec des matériaux légers. L'isolation ne peut être obtenue qu'avec de la masse, ou des couches multiples, comprenant éventuellement un absorbant dans une lame d'air entourée de part et d'autre d'éléments massifs. Sur un mur la réflexion des ondes sonores se fait théoriquement de telle manière que l’angle de réflexion est

le même que l’angle d’incidence par rapport au plan de l’obstacle. Mais lorsque la surface de l’obstacle est

accidentée (ou alvéolée) les irrégularités de surface, diffusent l’onde incidente et l’énergie acoustique est répartie

dans de multiples directions.

http://www.acouphile.fr/absorbtion-reverberation.html

le même que l’angle d’d’d’inincicidededence par rapport au plan de

Document 3 : Schéma de principe d’un théâtre antique.

http://lewebpedagogique.com/

Document 4 : Reconstition de la skèné.

http://theatre-antique.com

Document 5 : Interview de deux conseillers en acoustique.

Extraits d’une interview de Keiji Oguchi et Marc Quiquerez, conseillers en acoustique auprès des Ateliers Jean

Nouvel, expliquent leur démarche sur l’acoustique d’une salle.

Quelle est la différence entre l’écho et la réverbération ? M.Q. : Il s’agit de deux choses complètement différentes. La réverbération définit la durée pendant laquelle on entend un son dans une salle une fois que la musique a cessé. On peut contrôler le temps de réverbération : l’enjeu est de l’ajuster. Une réverbération courte et contrôlée donne une impression de volume au son. Une réverbération trop longue et étendue quant à elle diminue la qualité acoustique en donnant une impression de confusion sonore. L’écho est quant à lui un problème : l’écoute est perturbée lorsque que l’on entend à deux reprises un son à l’identique ou légèrement altéré, une fois en provenance de la scène, et une seconde fois depuis une autre direction.

Quel rôle joue la maquette dans votre travail ? K.O. : Cela se fait en trois temps. Nous repérons d’abord les effets d’écho, puis nous déterminons les surfaces qui les favorisent. Ensuite, une fois ces problèmes réglés, nous étudions et confirmons les performances acoustiques de la salle en les comparant avec celles d’autres salles considérées comme acoustiquement excellentes.

Comment y reproduisez-vous les sons et l’écoute ? K.O. : Comme l’échelle de la maquette est au 1/10è, nous devons émettre des fréquences de son dix fois plus hautes pour y reproduire le son, ce que l’oreille humaine ne peut pas percevoir. On utilise alors des micros et des ordinateurs pour régler et capter ces sons, puis on les convertit pour obtenir des données audibles comme dans la salle réelle.

http://www.acouphile.fr/absorbtion-reverberation.html

MATERIEL MIS A DISPOSITION :

- Emetteur et récepteur à ultrason. - Boite avec couvercle amovible.

- Générateur de salves. - Oscilloscope.

- Ecran en métallique. - Plaque comportant des aspérités ou plaque striée.

Document 6 : Quand l’écho limite-t-il la compréhension d’un texte. (Voir diaporama ci-joint)

Au théâtre, les ondes sonores émises par l’orateur A ne sont pas totalement absorbées par le mur, une partie d’entre elles se réfléchissent. Le son semble alors être émis depuis une source B symétrique de A par rapport au mur.

Les ondes réfléchies par le mur ne pouvant être totalement évitées, l'essentiel est que tous ces échos n'arrivent pas avec un trop grand retard. En effet, ce sont les consonnes qui forment l'armature de la parole leur durée d'émission est très courte de l'ordre de 1 / 25 seconde. Pour qu'elles ne se juxtaposent pas, il faut que leur écho arrive avant la fin de leur émission.

La profondeur maximale dmax de la scène est donc calculée pour que la proclamation d’un texte reste compréhensible.

Nathan SIRIUS 2012

mission.

Document 7 : Echo et réverbération dans les salles de concert, lequel est à conserver ?

Belin 2012

AIDE PARTIELLE À LA RÉSOLUTION DU PROBLEME (Nathan SIRIUS 2012) 1. Utilisation d’un émetteur ultrasonore Justifier l’intérêt d’utiliser des ultrasons dans le cadre de la simulation avec la maquette. 2. Influence d’un plafond Après avoir justifié la forme du signal ultrasonore reçu par le récepteur pour les deux expériences, indiquer la situation la plus intéressante d’un point de vue acoustique. 3. Rôle du mur Indiquer le phénomène observé lors de l’utilisation d’un mur plan et expliquer pourquoi cette infrastructure n’est pas souhaitable pour la réception sonore dans les gradins. Pourquoi le mur des théâtres antiques était-il orné de niches et de colonnes ? 4. Dimension de la scène Déterminer, en fonction de la célérité v des ondes sonores et de la distance d entre l’orateur A et le mur, le retard Δt entre l’onde sonore émise par l’orateur au point A (se dirigeant vers les gradins) et celle qui se réfléchit sur le mur avant de se propager vers les gradins. Déterminer la profondeur maximale dmax de la scène pour que la proclamation d’un texte reste compréhensible.

Correction : D’où provient l’extraordinaire acoustique des théâtres antiques

SIMULATION DU THÉÂTRE À L’AIDE D’UNE MAQUETTE (Tirée du Nathan Sirus 2012) ÉTAPE 1. Utilisation d’un émetteur ultrasonore L’utilisation d’une maquette et des ultrasons va permettre de réduire les dimensions du théâtre antique tout en gardant les proportions propres à son architecture. Les mesures à réaliser seront ainsi facilitées. La source sonore (orateur ou orchestre) sera remplacée par un émetteur ultrasonore. Les spectateurs dans les gradins seront modélisés par un récepteur ultrasonore. ÉTAPE 2. Influence d’un plafond L’acoustique d’un théâtre en plein air est bien différente de celle d’une salle de spectacle couverte. Pour étudier l’influence d’un plafond sur l’acoustique d’une salle de spectacle, on réalise une maquette rectangulaire équipée d’un couvercle amovible. À l’une des extrémités de cette maquette (au niveau de la scène), on installe un émetteur ultrasonore (orateur), tandis qu’on dispose à une distance D un récepteur (spectateur dans les gradins), relié à un oscilloscope, face à l’émetteur à l’autre extrémité. L’émetteur envoie un signal ultrasonore très bref, de l’ordre de 1 millième de seconde, qui se propage dans la maquette rectangulaire. Dans l’expérience 1 on place le couvercle sur la maquette et on l’enlève dans l’expérience 2. Résultats des expériences :

Conclusion : L’absence de plafond permet de réduire de manière significative les échos successifs et la réverbération.

ÉTAPE 3. Influence du mur de la skèné. Le mur de la skèné permet d’avoir un minimum de réverbération par réflexion des ondes sonores sur le mur ce qui donne une sensation de volume au son. Pour limiter cette réverbération afin de ne pas avoir d’écho, il faut limiter l’énergie sonore des ondes réfléchit par le mur. Les niches et les colonnes qui ornent la skèné, jouent ce rôle. Leur but est de diffuser les ondes reçu pour contrôler la réverbération et limiter l’écho. Expérience 1. Pour modéliser la rencontre des ondes sonores avec un mur plan, on place un obstacle en face d’un émetteur et d’un récepteur à ultrason. On observe les deux signaux. Expérience 2. Pour modéliser la rencontre des ondes sonores avec un mur présentant des aspérités, on place un obstacle alvéolé sur le mur. On observe les deux signaux de l’émetteur et du récepteur. Résultats des expériences :

Schémas ou photos

Conclusion : La présence d’aspérités dans le mur permet de réduire de manière significative la réverbération ce qui évite l’impression de confusion sonore dans les théâtres antiques. ÉTAPE 4. Calcul de la profondeur maximale dmax de la scène pour que la proclamation d’un texte reste compréhensible. Les ondes réfléchies par le mur de la skèné ne pouvant être totalement évitées, l'essentiel est que tous ces échos n'arrivent pas avec un trop grand retard. En effet, ce sont les consonnes qui forment l'armature de la parole. Leur durée d'émission est très courte de l'ordre de 1 / 25 seconde. Pour qu'elles ne se juxtaposent pas, il faut que leur écho arrive avant la fin de leur émission. Si l'orateur est placé en A, à une distance d du mur formant le son de la scène, la distance AB en fonction de d est :

AB = 2 d.

On en déduire l'expression en fonction de d et de v du retard Dt entre l'onde sonore émise par l'orateur au point A et l'onde réfléchie par le mur, qui semble issue du point B :

v = AB / Dt = 2d / Dt.

La profondeur dmax de la scène qui permet à la parole de rester nettement compréhensible est :

dmax = ½v Dt = 0,5*340 / 25 = 3’0 / 50 = 6,7 m. Avec Δt = 1/25 s et v=340m/s Conclusions : Pour que le texte soit compréhensible, il faut la réflexion des ondes par le mur ne produisent pas un retard de plus de 1/25 seconde entre le début de la proclamation d’une consonne et l’arrivée de son echo.(voir diaporama) Pour cela il faut la distance minimum entre l’orateur et le mur soit de 6,7m au maximum.

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Compétences Travail attendu

Analyser

/ 7pts partie

collective

Analyser et

extraire les

bonnes

informations

de documents

2pts

US pour réduire les dimensions des maquettes

Il faut un minimum de réverbération pour donner de la

profondeur au son mais pas d’écho

Protocoles Qualitatif

3pts

Influence plafond : E et R à US face à face dans boite. On enregistre signal E et R avec et sans plafond. Influence mur skéné : E et R à US Cote à cote face à un écran métallique. On enregistre signal E et R avec et sans surface comportant des aspérités

Détermination de dmax

2pts

Qualité de l’analyse

AB = 2 d.

v = AB / Dt = 2d / Dt.

dmax = ½v Dt = 0,5*340 / 25 = 3’0 / 50 = 6,7 m.

Réaliser

/ 7pts partie

collective

Mesure

3pts

Qualité des mesures et respect du protocole

Utilisation satisfaisante du matériel et des appareils de

mesure

Résultats Qualitatifs

2pts

L’absence de plafond permet de réduire de manière significative les échos successifs et la réverbération.

La présence d’aspérités dans le mur permet de réduire de manière significative la réverbération ce qui évite l’impression de confusion sonore dans les théâtres antiques.

Document final

2pts

Organisation : présence d’un plan / enchainement

logique des étapes.

Présentation satisfaisante.

Communiquer

/ 2pts partie

collective

Document final

Niveau A : le candidat a réalisé une communication cohérente complète avec un vocabulaire scientifique adapté. Niveau B : le candidat a réalisé une communication cohérente, incomplète mais il l’a exprimée pour l’essentiel avec un vocabulaire scientifique adapté. Niveau C : le candidat a réalisé une communication manquant de cohérence, incomplète ou avec un vocabulaire scientifique mal adapté. Niveau D : le candidat a réalisé une communication incohérente ou absente.

Etre

autonome

faire preuve

d’initiative

/4pts

partie

individuelle

Au cours des séances

- S’impliquer dans un projet individuel ou collectif - Prendre des initiatives - Travailler en autonomie - Demander une aide pertinente - Travailler en équipe - Mobiliser sa créativité, sa curiosité

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