I.011Enoncé du TP1

Rappel : On considère que le son se propage d’une source à un récepteur

Chaque fois qu’on entend un son, on peut préciser la chaîne sonore. On va étudier successivement deux éléments de la chaîne : les sources du son et la propagation du son.

Certaines activités de ce TP vont nécessiter que vous écoutiez attentivement le son que vous avez produit. Nous n’étudierons la réception que plus tard mais profitez de cette séance pour continuer à éduquer votre oreille.

I.1. Les sources du son et leur effet sur la perception auditive

I.1.1. Une condition nécessaire à l’émission d’un son

Objectif: Faire prendre conscience, à partir d’expériences simples, utilisant des objets de la vie courante, que les sons que nous entendons sont produits par un solide qui a un mouvement de va et vient de part et d’autre d’une position moyenne (qui vibre) . Attention à l’emploi du mot vibration, qui, les travaux de recherche le montrent, est un mot “ cache-misère ”.

Vous allez réaliser les expériences suivantes et essayer de trouver une condition nécessaire à l’émission d’un son.

Question pour chaque expérience :

Nommez la source du son et expliquez en quelques lignes et éventuellement avec un schéma le comportement de la source

• Diapason: On frappe le diapason avec la baguette, on l’approche de la boule du pendule jusqu’au contact. Observer le comportement du pendule.
  Remarque: On peut mettre le pendule au contact du diapason aprè avoir frappé celui-ci.
  
• Haut-parleur: il est alimenté par un générateur ( 6V - 50Hz )
  Touchez très délicatement la membrane. Qu’observez-vous ?
  Objectif: Faire prendre conscience que c’est la membrane qui vibre.
  Mettre des morceaux de polystyrène sur la membrane
  

• Sifflet à papier à cigarette (herbe, ...) ou clarinette ou autre instrument à anche

• Instrument à corde

• Tambourin

Question après avoir fait toutes les expériences :
Y a-t-il un comportement commun entre toutes ces sources de son ?

Après réflexion personnelle de chaque élève un débat peut s’engager, ,afin de dégager les conclusions suivantes :

Oui, il y a bien un comportement commun entre toutes ces sources, le phénomène physique qui est à l’origine du son s’appelle vibration.

Chaque source sonore, tout en restant au même endroit à chaque instant, possède une de ses parties qui vibre Une vibration est un mouvement de va-et-vient d’un objet (ou mouvement d’aller-retour). On pourra préciser éventuellement que les vibrations sont de type mécanique.

Le professeur reprend alors la main. Il travaille à nouveau, au bureau, avec GBF(très basses fréquences)+HP.

I.1.2. Caractéristiques physiques de la vibration en lien avec la perception auditive

Objectif : Les premières analyses de conceptions d’élèves mettent en évidence une proportion non négligeable d’élèves ne faisant pas la différence aigu-grave ou fort-faible (ne serait-ce parce que ce vocabulaire n’est pas toujours assimilé). Pour que l’élève comprenne pourquoi on s’intéresse tant aux caractéristiques de la vibration, il est nécessaire à ce stade d’introduire un premier lien entre champ expérimental (la perception auditive d’une vibration) et modélisation (les caractéristiques de la vibration). Dans un premier temps on se borne à faire les liens (simplifiés, ceux au programme) fréquence/hauteur et amplitude de vibration/volume du son.

Le professeur est donc amené à faire une monstration : en se plaçant, sans le dire, dans le domaine des fréquences audibles, il augmente la fréquence de vibration (et le dit) et fait écouter.

De même il dira qu’il augmente, pour une fréquence de vibration donnée, l’amplitude de vibration et fait écouter.

Pour s’affranchir des défauts de l’oreille dus à sa physiologie, on choisira une fréquence ’médium’, par exemple autour de 1kHz.

La fréquence de vibration est le nombre d’aller-retour (1 aller et 1 retour comptent pour un) effectués en une seconde.

Comme pour une tension périodique, elle s’exprime en Hertz (Hz).

Cette fréquence indique la rapidité avec laquelle la membrane vibre.

Mesure d’une fréquence de vibration de la membrane du Haut-parleur (à l’oeil nu) : comptage+chronomètre

Exercice auditif : En quoi le son est-il différent lorsqu’on augmente la fréquence de vibration?

Le même nombre d’aller-retour en une seconde peut se faire avec un déplacement plus ou moins grand de la membrane : c’est ce qui est caractérisé par l’amplitude de vibration (comme en électricité, où l’amplitude d’une tension sinusoïdale est la tension maximale) (cf. schéma 1).

Vue simplifiée, “ en coupe ” du haut-parleur :

Schéma possible à laisser sur le texte de TP ou à reproduire par l’élève d’après schéma au tableau:

Compléter le schéma 2 dans le cas où l’amplitude est supérieure à celle du schéma 1.

Exercice auditif : En quoi le son est-il différent lorsqu’on augmente l’amplitude de vibration de la membrane du haut-parleur ?

Cette phase se déroule forcément sur le mode du travail en groupe et de la discussion afin que les perceptions aigu/grave et fort/faible en relation avec les caractéristiques de vibration soient communes à tous.

I.2. La propagation

Deux aspects de la propagation vont être étudiés successivement :

• le milieu où le son se propage

• la façon dont il se propage.

Dans cette première séance, seul le premier aspect sera étudié.

I.2.1. Condition nécessaire à la propagation du son.

Objectifs: - Mettre en évidence la nécessité d’ un milieu matériel..

• Prendre en compte les connaissances des élèves. L’élève fait des prévision s en s’appuyant sur ses connaissances.

• Rompre avec des pratiques “ habituelles “ de l’enseignement qui proposent ou imposent des modèles aux élèves sans que le statut du modèle comme construction hypothétique en réponse à un questionnement soit pris en compte.

L’indication fournie par un sonomètre est en décibel (dB). Elle est d’autant plus importante que le niveau sonore du lieu où est il est placé est grand. Donc, l’indication en dB est d’autant plus grande que l’amplitude de vibration de la source est grande.Exemple : Le sonomètre est à côté du réveil qui sonne, notez son indication : ( 100dB ).

Faire de même quand il y a “ silence ” dans la classe : ( 50dB ).

Remarque: On peut prévoir les indications du sonomètre en référence aux deux expériences faites en 1.1 avec le diapason et refaire la manipulation.

Le sonomètre et ce qu’il mesure, le niveau acoustique ne sont ici que des outils et ne donneront l’occasion à aucun développement théorique (pour ceci, cours proposé plus loin dans la progression). On souhaite juste avoir ici (et on le présente comme tel) une grandeur chiffrée rendant compte d’un son plus ou moins fort.

Expériences avec la cloche à vide

Le professeur vous explique le principe des expériences.

1. Avant leur réalisation, vous allez prévoir ce qui va se passer en remplissant la deuxième colonne du tableau. Vous justifierez vos prévisions sous le tableau.

2. Pendant leur réalisation, vous observez de façon très attentive.

3. Vous aurez ensuite à confronter vos prévisions avec vos observations.

Situation 1

Mettre le sonomètre si possible.

Remarque: Il serait intéressant de remplacer le réveil par une boîte à musique avec personnages mobiles.

Justifiez vos prévisions: La cloche de verre isole l’élève du bruit du réveil mais dans l’espace sous la cloche, le niveau de bruit est le même que précédemment dans la pièce.

Situation 2

On fait le vide dans la cloche : on raréfie l’air

Justifiez vos prévisions relatives à ces deux questions.

Il n’y a pas de bruit sous la cloche. L’absence d’ air empêche la propagation du son; le son ne se propage pas dans le vide.

Conclusion:

La propagation dépend des caractéristiques du milieu de propagation. En l’absence de milieu, il n’y a pas de propagation donc pas de son. Pour qu’il y ait son, il faut une source et un milieu de propagation.

Remarque: Dans les situations 1 et 2, la sonnette est posée sur un support qui l’isole du socle de la cloche.

Situation 3 (si possible, en fonction du matériel disponible)

Dans les situations précédentes, la sonnette était posée sur un support en mousse ; maintenant le professeur refait l’expérience en enlevant la mousse ; la sonnette est alors directement en contact avec le socle de la cloche à vide.

Question : A votre avis, que doit-on observer ?

Le professeur réalise les expériences. Observer.

Conclure et expliquer.

Le sonomètre indique toujours le “ silence ”: il n’y a pas de bruit sous la cloche, mais les vibrations du réveil en contact avec la sole métallique de la cloche se transmettent à celle-ci jusqu’à l’extérieur de la cloche et l’élève entend la sonnerie: le son se propage dans les métaux.

I.2.2. Différents milieux de propagation

Les expériences ci-dessous peuvent être reprises en cours si l’enseignant juge que ce TP est trop long.

• Expérience 1: Pots de yaourts (fil de coton tendu)

Vous faites l’expérience avec le fil tendu.

• Question : Nommez le ou les milieux de propagation du son entre la personne qui parle et celle qui entend.

Air, fil, air

Il s’agit uniquement au cours de cette expérience de présenter un autre milieu de propagation que l’air. Mais attention, la vibration sonore est ici à la fois longitudinale et transversale. Il convient donc, à ce stade, de ne pas interpréter la propagation du son dans ce cas.

Expérience 2: Avec le diapason

Après avoir frappé le diapason ,

1. approchez ses branches de votre oreille

2. mettez sa base en contact avec un support rigide (la table par exemple)

On pourra éventuellement faire poser, avec précaution, le diapason sur le sommet du crâne.

Question:

Dans chaque cas, précisez le ou les milieux de propagation du son entre le diapason et votre oreille

I.2.3. Exemple de chaîne sonore

Cette partie peut n’être faite que lors du cours suivant si on manque de temps. Elle est essentielle pour la suite de la progression.

Expérience 3: Tambour à sucre (ou sel)

Questions :

Qu’observe-t-on ?

Quel rôle joue la membrane tendue ?

Détaillez tous les éléments de la chaîne sonore mis en évidence dans cette expérience.

On peut facilement réaliser le tambour à sucre en tendant une film plastique (type ’micro-onde’) sur un cristallisoir.

Le son produit au dessus du tambour se propage dans l’air jusqu’à la membrane qui se met à vibrer ( c’est un récepteur sonore ). Ceci provoque le sautillement des grains: une perturbation de l’air s’est propagée, et lorsque cette perturbation parvient à la membrane, celle-ci est aussi perturbée. Cette expérience permet d’introduire la notion de récepteur.

Information : le tympan de notre oreille, grâce auquel on entend, est lui aussi une petite membrane tendue : on entend parce que le tympan de notre oreille vibre.

Cette conclusion est très importante pour l’interprétation microscopique de la propagation. C’est en effet cette information qui pourra permettre de corréler la perception et la vibration du milieu.