On peut visualiser les vibrations acoustiques au moyen d’un microphone et d’un oscilloscope et identifier ainsi la relation entre ce qu’on entend et ce qu’on voit.
Fiche d’accompagnement de l’expérience:
Matériel- un oscilloscope
- un microphone sans alimentation externe (microphone dynamique ou microphone à électret avec pile intégrée), ou encore un haut-parleur utilisé comme microphone
- des fils électriques et des fiches de branchement adaptés
- des sources sonores : diapason, instruments de musique
Montage et réalisationBrancher un microphone sur une entrée d’un oscilloscope.
Régler la sensibilité et la base de temps de l’oscilloscope de façon à observer distinctement les oscillations sur l’écran lorsqu’on parle dans le micro.
Observer ce qui est modifié à l’écran lorsqu’on émet avec la voix des sons différant par leur hauteur, leur intensité et leur timbre.
Il est également intéressant de visualiser les sons émis par des diapasons ou des instruments de musique et de les comparer aux précédents.
ExplicationsLes sons ne sont rien d’autre que des variations plus ou moins périodiques de la pression de l’air.
Ces variations de pression sont transformées par le microphone en tension électrique variable dont on suit les variations temporelles sur l’écran de l’oscilloscope.
RemarquesEn physique, on distingue le son pur (vibration parfaitement sinusoïdale de fréquence définie unique), le son composé (superposition de sons purs de différentes amplitudes dont les fréquences sont des multiples entiers d’une fréquence appelée fréquence fondamentale) et le bruit (superposition de sons dont le spectre de fréquences est continu).
Les « sons » du musicien, qu’ils soient produits par la voix ou des instruments de musique, sont en général des sons composés de hauteur définie, sauf dans le cas de certaines percussions.
La visualisation de la tension sur l’écran de l’oscilloscope permet de comprendre que l’intensité sonore est liée à l’amplitude de la tension périodique, la hauteur du son à sa fréquence et le timbre à la forme de la courbe (sinusoïdale, en dents de scie, …). Jean-Baptiste Fourier (1768-1830) a montré qu’une fonction périodique quelconque est la somme de fonctions sinusoïdales de différentes fréquences multiples d’une fréquence dite fondamentale. Plus un son est pur, c’est-à-dire moins il est riche en harmoniques, plus la courbe sur l’écran ressemble à une sinusoïde.
Le microphone, comme tous les transducteurs électroacoustiques réels, ne peut pas être parfait. Pour une même pression acoustique, les amplitudes des tensions alternatives produites par des sons de fréquences différentes sont en général différentes, ce qui fausse légèrement les affirmations précédentes, mais heureusement de façon insignifiante. Ce phénomène est cependant très gênant si les microphones sont utilisés pour le traitement électronique du son (amplification, enregistrement, retransmission, …). On utilise des moyens techniques plus ou moins efficaces pour assurer une réponse du micro indépendante de la fréquence du signal, c’est-à-dire pour que le microphone transforme des sons purs de fréquences différentes mais de même pression acoustique en tensions électriques de même amplitude. L’amélioration de la qualité des microphones se retrouve dans leur prix : les appareils de qualité professionnelle peuvent coûter plusieurs centaines d’ €.