Le spectrogramme est une représentation graphique d’un signal sonore qui montre l’évolution des fréquences au cours du temps. L’axe horizontal représente le temps, l’axe vertical les fréquences, et l’intensité est codée par la couleur ou la luminosité. Le microphone d’un smartphone ou d’un ordinateur suffit pour en tracer un avec FizziQ.
Observer expérimentalement le spectrogramme
Avec l’application FizziQ, le spectrogramme permet d’analyser en temps réel n’importe quel son.
Étapes :
- Ouvrir FizziQ et sélectionner l’instrument “Spectrogramme”
- Produire un son (voix, instrument, sifflement) devant le microphone
- Observer le défilement : chaque bande verticale correspond à un instant
- Identifier les fréquences présentes (bandes horizontales = sons purs, motifs complexes = sons riches)
- Comparer différents sons : voyelles, notes tenues, glissandos
Activités scientifiques sur ce thème
Prolongements possibles avec FizziQ : comparer les timbres de différents instruments et visualiser les harmoniques d’une corde vibrante.
En savoir plus
Comment est-il calculé ?
Le spectrogramme est construit en appliquant une transformée de Fourier rapide (FFT) à de courts segments successifs du signal. Chaque FFT donne le spectre instantané (les fréquences présentes à cet instant). En alignant ces spectres côte à côte, on obtient le spectrogramme.
Lecture du spectrogramme :
- Lignes horizontales : fréquences stables (note tenue, voyelle)
- Lignes obliques montantes : son qui monte en fréquence (sirène, glissando)
- Lignes obliques descendantes : son qui descend
- Bandes larges : bruit (toutes les fréquences présentes)
- Lignes parallèles : harmoniques d’un son musical
Applications :
- Bioacoustique : identification des espèces par leurs cris
- Phonétique : analyse de la parole, des accents
- Musique : visualisation des harmoniques, accordage
- Diagnostic médical : analyse de la voix pathologique
Formule
Le spectrogramme S(t,f) peut s’exprimer comme :
S(t,f) = |STFT(x)|²
où STFT est la transformée de Fourier à court terme :
STFT(t,f) = ∫ x(τ) × w(τ-t) × e^(-2πifτ) dτ
avec :
- x(τ) : signal sonore
- w(τ-t) : fenêtre d’analyse (Hanning, Hamming…)
- f : fréquence analysée
Exemples d’application
- Un “a” chanté montre plusieurs harmoniques parallèles avec des formants renforcés
- Le chant d’un merle révèle des motifs mélodiques caractéristiques de l’espèce
- Une sirène dessine une ligne oblique ondulante
- Le bruit de fond apparaît comme un “brouillard” uniforme
FAQ
Q : Quelle est la différence entre spectre et spectrogramme ? R : Le spectre montre les fréquences présentes à un instant donné (une seule “tranche” verticale). Le spectrogramme montre l’évolution du spectre au cours du temps (empilement de spectres).
Q : Pourquoi l’image est-elle parfois floue ? R : C’est le principe d’incertitude temps-fréquence : on ne peut pas avoir une résolution parfaite en temps ET en fréquence simultanément. FizziQ optimise ce compromis.
Q : Comment identifier un oiseau avec le spectrogramme ? R : Chaque espèce a une “signature” caractéristique : gamme de fréquences, motifs mélodiques, rythme. Avec de la pratique, on reconnaît les espèces comme on reconnaît des visages.
Concepts liés
Transformée de Fourier - Fréquence - Spectre sonore - Harmoniques - Formants - Analyse acoustique