L’oscillogramme est la courbe qui représente l’amplitude d’un signal en fonction du temps. Pour un son, il donne à voir la forme de l’onde : une sinusoïde pour un son pur, un motif complexe mais répété pour une note d’instrument, un tracé irrégulier pour un bruit.
Observer expérimentalement la forme d’une onde sonore
Sur un smartphone, l’oscillogramme affiche en temps réel le signal capté par le microphone : à intervalles réguliers, le microphone mesure la pression acoustique et FizziQ reporte ces valeurs successives sur l’axe du temps. C’est l’instrument qui répond à la question que se posent tous les élèves : peut-on voir un son ?
Étapes :
- Ouvrir FizziQ et sélectionner l’instrument Amplitude (vue oscilloscope) parmi les mesures du microphone : c’est lui qui trace l’oscillogramme du son, sur une échelle de temps commutable.
- Émettre un son pur (diapason, note tenue) et observer la forme sinusoïdale du tracé.
- Prononcer une voyelle et comparer le motif complexe mais périodique obtenu.
- Produire un bruit (froissement de papier) et constater le tracé irrégulier et non périodique.
- Figer l’écran pour lire la période T sur l’axe du temps, en repérant un motif qui se répète.
- Enregistrer et exporter la courbe pour mesurer la période et calculer la fréquence f = 1/T.
Activités scientifiques sur ce thème
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Voir aussi la section microphone du guide des capteurs.
En savoir plus : comment ça marche
Le microphone convertit les variations de pression acoustique en un signal électrique, échantillonné par le convertisseur analogique-numérique à un rythme régulier, typiquement 44 100 fois par seconde. Chaque échantillon est une mesure instantanée de l’amplitude ; en reliant ces points, on reconstitue la courbe de l’onde. Comme la fréquence d’échantillonnage est bien supérieure aux fréquences audibles, le tracé restitue fidèlement la forme du son. À la différence d’un oscilloscope de laboratoire, l’oscilloscope du smartphone ne visualise que les signaux sonores captés par le microphone : on ne peut pas y brancher directement un signal électrique. Sur cette courbe, on lit directement trois informations : la forme de l’onde (sinusoïdale ou complexe), l’amplitude (hauteur des oscillations, liée à l’intensité du son) et la période T, durée d’un motif qui se répète, dont on déduit la fréquence.
Ordres de grandeur :
- Fréquence d’échantillonnage courante : 44 100 Hz, soit un point toutes les 23 µs environ.
- Domaine audible : 20 Hz à 20 000 Hz, soit des périodes de 50 ms à 50 µs.
- Diapason à 440 Hz : sinusoïde de période T ≈ 2,3 ms.
- Voix parlée d’homme, autour de 120 Hz : période proche de 8 ms.
- Théorème d’échantillonnage : il faut échantillonner à plus du double de la fréquence maximale du son (soit au moins 40 kHz pour l’audible).
Formule
La fréquence du son se déduit de la période mesurée sur l’oscillogramme :
f = 1 / T, avec f en hertz (Hz) et T en secondes (s), période d’un motif qui se répète.
Par exemple, un motif de période T = 2,3 ms lu sur la courbe donne f = 1 / 0,0023 ≈ 440 Hz.
Exemples d’application
- Mesurer la période d’un diapason et en déduire sa fréquence.
- Comparer les formes d’onde d’une flûte et d’une guitare jouant la même note.
- Distinguer visuellement un son pur (sinusoïde) d’un son complexe (motif riche mais périodique).
- Montrer qu’un bruit ne présente pas de motif périodique régulier.
- Observer l’attaque et l’extinction d’une note (variation de l’amplitude dans le temps).
- Relier la hauteur des oscillations à l’intensité perçue du son.
FAQ
Q : Que représente exactement la hauteur des oscillations sur l’oscillogramme ? R : Elle représente l’amplitude du signal, c’est-à-dire l’ampleur des variations de pression acoustique. Plus les oscillations sont hautes, plus le son est intense, mais cette hauteur n’est pas étalonnée en pascals.
Q : Comment mesurer la fréquence d’un son sur un oscillogramme ? R : On repère un motif qui se répète, on lit sa durée T (la période) sur l’axe du temps, puis on calcule f = 1/T. Un motif court correspond à un son aigu, un motif long à un son grave.
Q : Pourquoi un bruit ne donne-t-il pas de courbe régulière ? R : Un bruit n’a pas de période : il résulte de la superposition désordonnée de nombreuses fréquences. Son tracé est donc irrégulier et ne présente aucun motif qui se répète, contrairement à un son musical.
Concepts liés
Amplitude - Période - Son pur - Son complexe - Fréquence fondamentale - Microphone - Spectrogramme