I.011Enoncé du TP3

En tant que sensation auditive, le son est caractérisé, principalement, par :

• sa hauteur (son caractère plus ou moins aigu ou grave)

• son volume (son caractère plus ou moins fort ou faible)

En physique, le phénomène du son est associé à une vibration périodique qui est caractérisée par :

• sa fréquence

• son amplitude

I.1. Expérience de sensibilisation (Rappel)

On dispose d’un G.B.F. alimentant un haut-parleur.

I.1.1 La fréquence de la tension reste constante ( ex : 500 Hz), on entend un son.

Augmenter, puis diminuer l’amplitude de la tension électrique.

Coller une pastille au centre de la membrane permet de voir son déplacement même à 500Hz.

Questions : Quelle conséquence cela a-t-il sur le mouvement de la membrane ?

Prévoir éventuellement l’expérience au bureau (avec un gros haut-parleur) pour confirmer la réponse . Le but est que chaque élève relie bien amplitude de la tension et amplitude de vibration.

Que pouvez-vous dire à partir de ce que vous voyez, de ce que vous entendez?

Que pouvez-vous dire à partir de ce que vous savez?

I.1.2 L’amplitude de la tension est constante.

Augmenter, puis diminuer la fréquence de la tension électrique.

Questions:

• Quelle conséquence cela a-t-il sur le mouvement de la membrane ?

• Que pouvez-vous dire à partir de ce que vous voyez, de ce que vous entendez?

• Que pouvez-vous dire à partir de ce que vous savez?

Remarque: L’expérience montre que les élèves ont encore besoin de beaucoup de temps pour répondre à ces questions.

I.2. Etude des grandeurs caractéristiques du son à l’oscilloscope

On réalise le montage suivant :

I.2.1.Question:

Que représente alors la courbe visualisée sur l’écran ?:

On attend que l’élève affirme que ce qui est visualisé est la tension alimentant le HP. Dans l’hypothèse (probable) où certains affirment que la courbe représente le son ou (un peu mieux) une ’image’ du son, il est souhaitable d’engager alors une discussion pour que l’ensemble de la classe parvienne à une réponse rigoureuse. Si plus tard, il sera probablement difficile, y compris pour le prof, d’éviter les abus de langage du style ’on voit le son’ ou ’on visualise le son’ ou ’on a une image du son’, on souhaite, au moins dans ce TP dont c’est un des objectifs, être rigoureux quant au rôle de l’oscilloscope puis du microphone, y compris dans les formulations orales.

Soient les oscillogrammes ci-dessous:

(adapter l’amplitude, donc la sensibilité verticale utilisée, en fonction du matériel disponible pour que la perception du moins fort et du plus aigu soit sans ambiguïté)

I.2.2 Prédiction:

• Dans quel cas (1, 2 ou 3) le son émis par le haut-parleur sera-t-il le moins fort? Justifier.

• Dans quel cas (1, 2 ou 3) le son émis par le haut-parleur sera-t-il le plus aigu? Justifier.

I.2.3 Vérification

Réaliser le montage électrique. Régler le balayage et la sensibilité verticale de l’oscilloscope comme indiqué. Puis régler le GBF afin d’obtenir successivement les trois oscillogrammes.

Remarque: Il est plus confortable (en particulier du point de vue sonore) de s’assurer que les élèves maîtrisent la manipulation oscillo / GBF jusqu’à l’obtention des oscillogrammes proposés avant de leur permettre de brancher le haut-parleur, et de passer alors de l’un à l’autre. Si les haut-parleurs restent branchés alors que les élèves sont en train d’essayer d’obtenir les tensions demandées, le niveau sonore dans la classe devient vite pénible. On s’assure donc que les élèves sont capables de passer rapidement d’une tension à une autre, puis on les autorise à brancher le haut-parleur.

Ecouter et comparer les sons deux à deux afin de vérifier votre prédiction.

Comment évolue le son lorsque la fréquence de la tension augmente ?

Comment évolue le son quand l’amplitude de la tension augmente ?

Remarque: Attention, il est possible que, dans certains cas, ce que les oscillogrammes montrent et ce que vous savez ne soit pas conforme à ce que vous entendez.

Pour certains élèves, un tableau peut constituer une aide (une colonne par expérience, avec chaque fois, période, fréquence et amplitude). En renforçant la démarche expérimentale, l’objectif est ici, après avoir testé les capacités auditives de l’élève, de faire le lien entre hauteur du son et fréquence de vibration du HP, ainsi qu’entre volume du son et amplitude de vibration.

Il est important de faire prendre conscience aux élèves que l’oreille n’a pas la même sensibilité pour toutes les fréquences..

I.2.4 Conclusion :

La hauteur d’un son (caractère aigu/grave) est essentiellement liée à la fréquence de vibration de l’émetteur.

Le volume (ou niveau sonore ) d’un son (caractère fort/faible) est essentiellement liée à l’amplitude de vibration de l’émetteur.

L’objectif de cette conclusion est d’amener le maximum d’élèves à relier les définitions données en préambule, concernant le son d’une part, la vibration physique d’autre part.

I.3. Comparaison des caractéristiques du son: hauteur et volume au niveau de l’émetteur et du récepteur.

On suppose qu’un haut-parleur émet un son de fréquence 400Hz.

I.3.1 Prédiction :

Comment, d’après vous, évoluent les caractéristiques du son entendu quand on s’éloigne du haut-parleur ?

Pour étudier les caractéristiques du son entendu quand on s’éloigne du haut-parleur, on utilise un microphone.

I.3.2 Utilisation du microphone.

Informations: Le microphone est utilisé comme récepteur pour ’traduire’ nos perceptions auditives.

Un micro comporte, comme l’oreille, une membrane qui peut se déplacer. Ce déplacement est causé par l’air en contact avec la membrane (comme dans l’expérience avec les deux tambourins)

Par ailleurs, le micro comporte un dispositif qui génère une tension électrique (c’est pour cette raison qu’il a deux bornes) en fonction du déplacement de la membrane du micro (cette tension est représentative du déplacement).

Vous pouvez vérifier que le micro fonctionne en le branchant à l’oscilloscope : une tension complexe doit apparaître à l’écran lorsque vous parlez face au micro (utiliser une grande sensibilité verticale). Vous constatez donc qu’un son quelconque n’est pas forcément associé à une tension sinusoïdale.

I.3.3 Expérience :

On fait émettre un son de fréquence environ 400Hz à un haut-parleur. Le micro reçoit le son émis. On souhaite visualiser simultanément en utilisant les deux voies de l’oscillo la tension aux bornes du haut-parleur et la tension aux bornes du micro. Complétez le schéma ci-dessous. Réalisez le montage, faites-le vérifier par le professeur et réalisez-le.

I.3.4 Vérification

Comparer l’amplitude et la fréquence des tensions aux bornes du haut-parleur et du microphone.

Comment évoluent les caractéristiques du son reçu par le microphone quand on l’éloigne de l’émetteur ?

I.4 Application : reproduction du son du diapason.

La quatrième partie peut n’être envisagée que pour les groupes les plus rapides.

On veut obtenir le même son avec le haut-parleur et le diapason et le vérifier avec une mesure physique (à l’oscilloscope par exemple).

Réfléchissez par groupe de 2 pour savoir comment vous allez vous y prendre. Lorsque vous êtes d’accord sur ce que vous voulez faire, réalisez la manipulation et expliquer ci-dessous votre démarche. Vous indiquerez en particulier ce sur quoi vous vous basez pour considérer que vous avez obtenu le même son.

Indiquez également les chaînes sonores correspondant aux manipulations que vous êtes amenés à faire.

Réponses:

Cette activité de recherche doit pouvoir être faite assez librement. Il est possible que certains élèves, pour faire un même son, se servent de leur oreille. Il est également possible (et plus courant, vue la mise en contexte) que certains veuillent utiliser le micro. Dans ce cas, les élèves devront se rendre compte :

- d’une part que l’on ne peut pas utiliser un micro pour chacun des deux sons : un micro ne sélectionne pas un son particulier. On a deux un mélange si on joue les deux sons en même temps.

- d’autre part qu’il convient de comparer deux sons au même endroit, avec donc, un micro fixe. Il ne s’agît pas de comparer ici la tension aux bornes du micro enregistrant le diapason et la tension d’alimentation du HP (celle du GBF). On mesurera donc approximativement la fréquence avec le diapason comme émetteur puis on essaiera de régler le GBF pour avoir la même fréquence (et une amplitude du même ordre) lorsque le haut-parleur est émetteur.

Enfin, quelque soit la stratégie choisie par les élèves, l’objectifs est de remarquer que la tâche est rendu très difficile par le fait que l’amplitude du son du diapason n’est pas constante. Il ne faudrait pas laisser croire avec cette tâche que même son = même fréquence. A ce stade, même son = même fréquence ET même amplitude. La tâche ne pourra donc être réalisée que partiellement réalisée.