Enregistrement et caractérisation avec capteurs
Enregistrement et caractérisation d'un son avec des capteurs
Un microphone transforme un son en tension électrique que l'on enregistre et affiche ; sur ce signal, on mesure la période et la fréquence (hauteur du son), l'amplitude (son fort ou faible) et la forme (timbre), et un sonomètre mesure le niveau d'intensité sonore en décibels.
Objectifs
- Décrire la chaîne d'enregistrement d'un son : source, capteur (microphone), système d'acquisition, affichage.
- Reconnaître un signal périodique et mesurer sa période \(T\) sur un enregistrement.
- Calculer la fréquence \(f = \frac{1}{T}\) et la relier à la hauteur du son.
- Relier l'amplitude du signal à l'intensité du son, et la forme du signal au timbre.
- Utiliser un sonomètre et interpréter un niveau d'intensité sonore en décibels (dB).
1. Du son au signal électrique : la chaîne d'acquisition
Un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, solide). Pour l'étudier, on utilise un capteur : un dispositif qui transforme une grandeur physique en une grandeur électrique, le plus souvent une tension.
- Le microphone convertit les vibrations de l'air en une tension électrique \(u(t)\) qui varie au même rythme que le son.
- Le système d'acquisition (interface reliée à un ordinateur, oscilloscope ou smartphone) mesure cette tension à intervalles réguliers et l'enregistre.
- Le logiciel affiche la courbe \(u(t)\) : c'est l'enregistrement du son (oscillogramme).
La source (haut-parleur, voix, instrument) fait vibrer l'air : le son se propage jusqu'au capteur.
Le microphone, capteur du son, transforme ces vibrations en une tension électrique variable.
L'interface d'acquisition mesure cette tension de nombreuses fois par seconde et la transmet sous forme de nombres.
L'ordinateur affiche la tension en fonction du temps : on obtient l'enregistrement du son.
Dans la chaîne d'enregistrement d'un son, quel élément joue le rôle de capteur ?
2. Signal périodique : période et fréquence
Un signal est périodique lorsqu'un même motif se répète identique à lui-même à intervalles de temps égaux.
- La période \(T\) est la durée d'un motif élémentaire, en secondes (s).
- La fréquence \(f\) est le nombre de motifs par seconde, en hertz (Hz) :
\[ f = \frac{1}{T} \qquad (f \text{ en Hz},\ T \text{ en s}) \]
Manipule le signal : \(A\) est l'amplitude (en volts) et \(f\) la fréquence (en kHz) ; le temps est en millisecondes. Observe ce qui change quand tu bouges chaque curseur.
Quand \(f = 0{,}5\) kHz, un motif dure \(T = \frac{1}{500} = 0{,}002\ \text{s} = 2\ \text{ms}\) : tu dois voir 5 motifs sur 10 ms.
Exemple résolu 1
Sur l'enregistrement du son d'un diapason, on compte 4 périodes complètes sur une durée de 10 ms. Calculer la période puis la fréquence.
Exemple résolu 2 : lecture sur un oscilloscope
Sur un oscilloscope réglé à \(0{,}5\ \text{ms}\) par division horizontale, un motif occupe 4 divisions. Calculer \(T\) et \(f\).
Cherche d'abord, puis vois la solution
\[ T = 4 \times 0{,}5 = 2\ \text{ms} = 0{,}002\ \text{s} \qquad f = \frac{1}{0{,}002} = 500\ \text{Hz} \]
Le son A a une fréquence de 250 Hz, le son B une fréquence de 1 000 Hz. Lequel est le plus aigu, et quelle est la période du son B ?
3. Amplitude, intensité et niveau sonore
L'amplitude \(U_m\) du signal est la valeur maximale de la tension (mesurée depuis la valeur moyenne, ici 0). Plus l'amplitude est grande, plus le son est fort (intense).
Repère les grandeurs sur l'enregistrement ci-dessous en plaçant les étiquettes :
Pour mesurer directement l'intensité perçue, on utilise un sonomètre (ou une application de smartphone qui en fait office). Il mesure le niveau d'intensité sonore \(L\), en décibels (dB).
On augmente le volume d'un son sans changer la note jouée. Sur l'enregistrement :
4. Le timbre : la forme du signal
Deux sons de même hauteur (même fréquence) et de même intensité peuvent avoir des enregistrements de formes différentes : on dit qu'ils ont des timbres différents. Un diapason donne une courbe sinusoïdale (son pur) ; un instrument ou une voix donne une courbe plus complexe, mais de même période pour la même note.
flowchart LR A[Enregistrement du son] --> B[Periode T] A --> C[Amplitude] A --> D[Forme du signal] B --> E[Hauteur : grave ou aigu] C --> F[Intensite : fort ou faible] D --> G[Timbre : quel instrument]
Exemple résolu 3
On enregistre la même note jouée par une flûte et par une kora. Les deux courbes ont une période de 2,27 ms, mais des formes différentes. Quelle est la fréquence ? Qu'est-ce qui permet de distinguer les instruments ?
Voir la solution
\[ f = \frac{1}{2{,}27\times 10^{-3}} \approx 440\ \text{Hz} \]
Les deux instruments jouent la même note (même fréquence, donc même hauteur). C'est la forme différente des enregistrements, c'est-à-dire le timbre, qui permet de les distinguer.
Deux sons ont la même période et la même amplitude mais des formes différentes. Ils diffèrent par :
Erreurs fréquentes
- Confondre le capteur (microphone) avec l'émetteur (haut-parleur).
- Mesurer la période entre deux points qui ne sont pas « équivalents » (il faut deux points identiques de deux motifs successifs).
- Oublier de convertir les millisecondes en secondes avant de calculer \(f\).
- Croire qu'un son plus fort est un son plus aigu : l'intensité dépend de l'amplitude, la hauteur de la fréquence.
- Additionner des décibels comme des nombres ordinaires.
Récapitulatif
- Chaîne d'acquisition : source, microphone (capteur), interface d'acquisition, ordinateur.
- Signal périodique : période \(T\) (s), fréquence \(f = \dfrac{1}{T}\) (Hz).
- Hauteur liée à la fréquence ; intensité liée à l'amplitude ; timbre lié à la forme du signal.
- Le sonomètre mesure le niveau d'intensité sonore en dB ; au-delà d'environ 85 dB en exposition prolongée, l'audition est en danger.
Teste tes connaissances sur ce cours
Crée ton compte gratuitement pour accéder aux quiz associés et suivre ta progression.