X.2.2.2 Animations au sujet de la propagation du son

Une première animation a été réalisée à l'équipe COAST par A. Robles dans le cadre de sa thèse (Robles, 1997). Cette animation n'utilisait cependant pas l'outil informatique et l'image de synthèse mais une image vidéo d'un "modèle matérialisé". Il s'agissait de petits aimants en agitation répulsive sur un coussin d'air. Ce modèle matérialisé permet en effet de montrer comme une impulsion mécanique (un aller-retour en fait) peut se propager à travers le milieu matérialisé par ces petits aimants en agitation incessante. L'apport incontestable d'un tel film (dans lequel il est en plus fait explicitement le lien entre objet du monde réel et objets du modèle matérialisé) est tel que le groupe SOC l'a intégré à sa progression pour illustrer les premiers aspects microscopiques de la propagation. Malgré ces avantages, les contraintes du dispositif (trop faible nombre d'aimants, faible taille du récipient, amortissement très fort de l'impulsion, rebonds sur les parois) ne permettent pas de simuler la propagation de vibration. Même pour simuler la propagation d'une impulsion (un aller-retour), il n'est pas facile d'affirmer qu'il n'y a pas déplacement global de matière (certains aimants ne reviennent pas). Enfin, ce type de modèle matérialisé, non présent dans la classe, ne permet bien évidemment aucune activité.

L'outil informatique peut s'avérer alors très utile.

Foley (1995) a réalisé un important travail dont les objectifs sont assez proches des nôtres. Le logiciel qu'il a développé (appelé AudioDissector) a largement inspiré nos choix et les représentations graphiques que nous avons adoptées. Un exemple d'interface est donné sur la figure X.2-4.

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figure X.2-4 : exemple d'interface du logiciel AudioDissector de B. Foley (1995)

La fenêtre appelée "Sound Space" (que nous avons notée 1sur la figure) constitue l'espace sonore des sons représentés par un losange. Sans que ce soit explicite les axes de cet espace correspondent à la hauteur et au volume du son (les abscisses données explicitement sont purement graphiques). L'utilisateur peut ajouter des sons dans cet espace. Comme chaque son est pur, l'ajout de sons dans l'espace sonore permet la synthèse de sons complexes. Il est possible d'écouter le son résultant (sans information sur les propriétés physiques du son perçu). Dans la fenêtre du haut (2), la forme d'onde (vibration en fonction du temps) est donnée. Dans la fenêtre du bas (3), et c'est là la plus grande originalité, c'est le signal acoustique en fonction de l'espace dans un tuyau sonore qui est représenté. Ce qui est représenté est en fait la densité de point de la représentation microscopique située en dessous (sur le même axe spatial). La finesse des points représentant les particules permet de figurer des signaux assez complexes. Au cours du temps, dans cette fenêtre, la courbe se déplace, ainsi que la représentation particulaire, en fonction de la vibration de la source. La répartition de densité se dessine donc au fur et à mesure. Par contre, si l'utilisateur change le son dans l'espace sonore, les modifications ne s'effectuent pas en temps réel.

Foley affirme que chaque fenêtre fournit un modèle différent du son, chacun mettant en avant un aspect particulier du son.

Ce logiciel de simulation a été élaboré avec des hypothèses issues de la recherche en éducation. Il a été intégré à une progression (laissant une place essentielle à l'expérience réelle) et son influence a été testée avec des étudiants. L'effet semble positif sur toutes les questions concernant la réflexion, l'absorption, la vitesse du son, la nature du son, la transmission, la hauteur, le volume et la conservation de l'énergie (Foley, 1995).

Si l'apport d'un tel outil sur la compréhension des phénomènes sonores semble indéniable, le logiciel proposé nous a semblé pouvoir être largement amélioré, en cohérence avec le programme de seconde. Nous reprendrons à notre compte :

  • l'idée selon laquelle il peut être utile de séparer explicitement les différentes représentations du son, en particulier spatiale (y compris microscopique) et temporelle ;

  • la possibilité d'écoute du son correspondant (il faudra cependant préciser la nature et les termes de cette correspondance).

Cependant, nous pointons quelques inconvénients qui nous paraissent pouvoir induire des idées fausses ou incorrectes du point de vue de la physique et empêcher la construction du sens des concepts en jeu :

  • Les axes ne sont pas précisés dans l'espace sonore. Quelle relation y a-t-il entre les paramètres du son et les graphes ?

  • La représentation temporelle, que Foley affirme présenter parce qu'elle est la plus courante dans la vie quotidienne, ne précise pas la nature de l'axe des abscisses. De plus, à quoi correspond effectivement cette courbe ? A l'évolution de l'amplitude de la source ou à l'évolution de la densité en un point donné du milieu ?

  • Le logiciel ne permet pas de visualiser la vibration de la source, représentée ici par un haut-parleur. Ceci suppose que les concepts d'amplitude et de fréquence sont parfaitement acquis, ce qui, nous l'avons vu, est loin d'être le cas en seconde. Cette représentation de la vibration aurait pu permettre une meilleure compréhension de ce qui se passe microscopiquement. Le fait que cette vibration ne soit pas visible est relié au point suivant.

  • Dans le tuyau sonore, l'image représentant le milieu de propagation se déplace "en bloc". La petitesse des particules fait que nous ne pouvons pas suivre une particule particulière pour tenter de comprendre ce qui lui arrive et comment elle interagit avec ses voisines. En fait, ce qui semble implémenté est la courbe de densité en fonction de l'espace. Cette courbe détermine la densité de points à afficher. Au cours du temps la courbe se déplace et nous avons l'impression que le motif microscopique se déplace également. Il parait donc difficile, avec cette simulation, d'inférer le non-déplacement de matière. La matière semble "créée" à gauche du tuyau. Nous nous sommes dans notre logiciel largement écartés de ce type d'implémentation. Notons d'ailleurs que Foley ne semble pas proposer avec AudioDissector de modèle particulaire de la propagation du son (au sens où il décrirait le type d'interaction entre particules et les conséquences pour la transmission de l'information).

À partir de ce qui nous semble positif à bien des égards dans Audiodissector, nous avons cherché à améliorer ou à remplacer les aspects qui ne nous semblaient pas en accord avec l'analyse du savoir que nous avons menée et avec les connaissances des élèves auxquels s'adresse simulaSON.