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Quelques caractéristiques du son. L'oreille
sert à détecter les sons. Pour le musicien, le son possède 4 qualités
ou paramètres que sont la hauteur, l'intensité, le timbre et la durée.
Dans toute la suite de l'exercice, on ne s'intéressera qu'aux trois
premiers paramètres à savoir la hauteur, l'intensité et le timbre du
son. Donner la définition de la hauteur d'un son.
La hauteur du son est
caractérisée par sa fréquence du
fondamental.
Le document suivant présente l'enregistrement, à l'aide d'un logiciel
d'acquisition approprié, du son produit par un haut-parleur alimenté
par un générateur de fréquences. Déterminer la hauteur du son enregistré.
Période T = 2,0 10-3 s ; fréquence f = 1/2 10-3 = 5,0 102 Hz.
On
effectue un autre enregistrement du son émis par un haut-parleur en
modifiant un réglage au niveau du générateur de fréquences.
Quelle
modification a effectué l'expérimentateur pour obtenir l'enregistrement
2 ? Quel paramètre du son, parmi les trois proposés par l'énoncé, a
varié dans ce nouvel enregistrement ? Justifier. L'amplitude de la tension a été multipliée par 2,5. La fréquence reste inchangée.
C'est l'intensité du son qui a donc augmentée. L'intensité est liée à l'amplitude de l'onde
mécanique responsable de l'onde.
Le document suivant présente l'enregistrement du son produit par un synthétiseur et son analyse spectrale.
Montrer que la hauteur du son émis est identique à celle des enregistrements précédents.
Période T = 2,0 10-3 s ; fréquence f = 1/2 10-3 = 5,0 102 Hz.
La quatrième harmonique a une fréquence de 2000 Hz ; la fréquence du fondamental est donc 2000 / 4 = 500 Hz.
Les sons des trois enregistrements possèdent la même fréquence du fondamental : les sons ont la même hauteur. Quelle
différence présente le son de l'enregistrement 3 par rapport aux
enregistrements 1 et 2 ? Quel paramètre du son est ainsi mis en
évidence ? Justifier. Les sons des enregistrements 1 et 2 sont purs ( on observe une sinusoïde ).
Le son de l'enregistrement 3 est complexe ( on n'observe pas une
sinusoïde ) ; son analyse spectrale présente plusieurs harmoniques.
Le timbre ( il
dépend de la composition des harmoniques) permet
de distinguer deux notes de même hauteur
jouée par deux instruments différents.
Le détecteur, l'oreille. On
s'intéresse aux caractéristiques de l'oreille quant à ses capacités à
discerner la hauteur de deux sons, ainsi que la différence de niveau
sonore entre deux sons.
On rappelle que l'intensité d'un son, notée I est caractirisée par son niveau sonore, noté L.
L = 10 log ( I/I0) avec I0 = 1,0 10-12 W m-2, intensité minimale que peut détecter l'oreille humaine.
On considère un son dont le niveau sonore est L= 50 dB. Montrer que l'intensité I du son vaut I =1,0 10-7W m-2. L = 10 log ( I/I0) ; I = I0 100,1 L = 1,0 10-12 *105 = 1,0 10-7 W m-2. Superpositions de deux sources sonores.
On considère maintenant une source sonore d'intensité sonore I1 et de niveau sonore L1.
Si on considère maintenant la superposition de deux sources sonores
identiques à la précédente, il en résulte une intensité sonore I2 double de la précédente soit I2 = 2I1. On note L2 le niveau sonore résultant de la superposition des deux sources sonores identiques. Montrer que L2 = L1 + 3 dB. L1 = 10 log ( I1/I0) ; L2 = 10 log ( I2/I0) = 10 log ( 2I1/I0) = 10 log ( I1/I0) + 10 log2 = L1 + 3 dB. La sensibilité de l'oreille.
La sensibilité de l'oreille, c'est à dire sa capacité à entendre, ne
sera pas la même selon la hauteur du son parvenant à l'oreille de
l'auditeur. D'autre part, un son émis par une source avec un certain
niveau sonore ne sera pas perçu par l'oreille avec ce même niveau
sonore. Ces différentes caractéristiques sont résumées dans le
diagramme suivant appelé diagramme de Fletcher et Munson.
Ce
diagramme montre des courbes d'isotonie ( même niveau sonore perçu par
l'oreille ) en fonction de la hauteur du son. La courbe de niveau 0,
nommée " minimum audible" indique le niveau sonore minimal que doit
posséder un son pour que celui-ci puisse être audible.
Si on considère par exemple un son de hauteur 50 Hz, l'oreille ne
pourra le détecter que si son niveau sonore vaut environ 42 dB ( point
A). De même un son de niveau sonore 80 dB et de hauteur 50 Hz ne sera
perçu au niveau de l'oreille qu'avec un niveau sonore de 60 dB ( point
B). T0 = 50 µs = 5,0 10-5 s. En
déduire la capacité C utilisée. ( En absence de métal L = 0,020
H). T02
= 4p2LC ; C = T02
/ ( 4p2L) = (5,0 10-5)2 / (4*10*0,02) =25 10-10 / 0,8 ~3,1 10-9 F = 3,1 nF.
Recherche
de métaux.
En
absence de métal à proximité, la fréquence propre de l'oscillateur est
voisine de 20 kHz. Comment
évolue cette fréquence si on approche la bobine d'un objet en or ?
L'inductance
augmente si on approche de la bobine un objet en fer, alors qu'elle
diminue si l'objet est en or.
Fréquence de l'oscillateur : f0 = 1 /(2p(LC)½).
Si l'inductance diminue en présence d'or, alors la fréquence augmente.
Au
cours d'une recherche, on détecte un signal de fréquence 15 kHz. A t-on trouvé de l'or? Justifier. La fréquence
diminue : l'inductance augmente, C étant constante.
Or l'inductance augmente si on approche de la bobine un objet en fer.
On n'a pas trouvé d'or.
