Analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur

Un smartphone, une tablette ou un ordinateur suffisent pour mesurer un niveau sonore, déterminer la fréquence d’une note, observer la forme d’un signal ou lire un spectrogramme. Ce guide explique ce que ces appareils mesurent réellement, comment interpréter les représentations du son (oscillogramme, spectre, spectrogramme), quelles sont les limites de ces mesures, et propose douze expériences d’acoustique réalisables en classe avec FizziQ.

Table des matières

Introduction - Peut-on étudier le son avec un smartphone ou un ordinateur ?
Qu’est-ce qu’un son ?
Comment un microphone transforme-t-il un son en données ?
Observer la forme temporelle du son
Mesurer la fréquence d’un son
Comprendre le spectre sonore
Comprendre le spectrogramme
Mesurer le niveau sonore et comprendre les décibels
Un smartphone ou un ordinateur peut-il remplacer un sonomètre ?
Produire des sons pour expérimenter
Smartphone ou ordinateur : quel outil choisir ?
Parcours combinés smartphone et ordinateur
Douze expériences sur le son avec FizziQ
Erreurs et confusions fréquentes
Questions fréquentes
Conclusion
Sources et références

Introduction - Peut-on étudier le son avec un smartphone ou un ordinateur ?

Oui. Le microphone d’un smartphone, d’une tablette ou d’un ordinateur transforme les petites variations de pression de l’air - le son - en un signal électrique, puis en un signal numérique. Une fois numérisé, ce signal peut être représenté et analysé : on peut observer sa forme au cours du temps, mesurer sa période et sa fréquence, calculer son spectre, suivre l’évolution de son contenu fréquentiel avec un spectrogramme, et estimer un niveau sonore en décibels.

Chaque type d’appareil a ses points forts. Le smartphone ou la tablette est un instrument mobile : on l’emporte sur le terrain, on le déplace autour d’une source, on mesure en temps réel, et on peut même l’utiliser comme générateur de sons. L’ordinateur est un poste d’analyse : son grand écran facilite l’examen détaillé d’un oscillogramme ou d’un spectrogramme, il permet d’importer des fichiers audio, de comparer des enregistrements et de rédiger un compte rendu structuré. Ces deux usages se complètent : le smartphone capte et mesure facilement un phénomène réel, l’ordinateur facilite l’analyse fine et l’interprétation du signal.

Une précaution s’impose dès le départ : la qualité des résultats dépend du microphone utilisé, des traitements appliqués par l’appareil et de l’étalonnage. Un smartphone n’est pas un sonomètre certifié, et deux téléphones différents ne donnent pas exactement le même niveau sonore. Ces limites, détaillées dans ce guide, n’empêchent pas de réaliser d’excellentes expériences : elles définissent simplement le cadre dans lequel les mesures ont un sens.

Ce guide présente successivement la nature physique du son, la chaîne de mesure (du microphone au logiciel), les trois grandes représentations du signal (oscillogramme, spectre, spectrogramme), la mesure du niveau sonore et l’échelle des décibels, la production de sons pour expérimenter, puis douze expériences réalisables avec FizziQ sur smartphone (application mobile) ou sur ordinateur (FizziQ Web).

Partie 1 - Qu’est-ce qu’un son ?

1.1 Une vibration qui se propage

Un son commence toujours par une vibration : une corde de guitare qui oscille, une membrane de haut-parleur qui avance et recule, des cordes vocales qui vibrent. Cette vibration met en mouvement le milieu qui entoure la source. Dans l’air, les molécules proches de la source sont alternativement comprimées puis dilatées : la pression locale augmente légèrement, puis diminue légèrement autour de la pression atmosphérique.

Ces variations de pression se transmettent de proche en proche : chaque tranche d’air pousse la suivante, qui pousse la suivante. C’est une onde de pression qui se propage - les molécules d’air, elles, ne voyagent pas avec l’onde : elles oscillent autour de leur position moyenne. Dans l’air, cette onde est longitudinale : les oscillations des molécules se font dans la même direction que la propagation de l’onde.

Une conséquence importante : le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager. Dans le vide, il n’y a pas de molécules à mettre en mouvement, donc pas de son. C’est pourquoi l’espace est silencieux.

À retenir. Dans l’air et les liquides, le son se propage sous la forme d’une onde de pression longitudinale, transmise de proche en proche, et il ne se propage pas dans le vide. Dans les solides, plusieurs types d’ondes élastiques peuvent coexister, notamment des ondes longitudinales et des ondes transversales.

1.2 Les principales grandeurs

Pour décrire un son, on utilise plusieurs grandeurs physiques.

La période T est la durée d’un motif complet de la vibration, en secondes (s). Pour un son périodique, le signal se répète identique à lui-même toutes les T secondes.
La fréquence f est le nombre de motifs par seconde, en hertz (Hz). Elle est l’inverse de la période :

f = 1/T

avec f en hertz (Hz) et T en secondes (s). Exemple : un signal dont la période vaut T = 2,27 ms a une fréquence f = 1/0,00227 ≈ 440 Hz, la fréquence du diapason de référence La₃.

L’amplitude caractérise l’importance de la variation : pour l’onde sonore, c’est l’écart maximal de la pression acoustique par rapport à la pression atmosphérique ; pour le signal numérisé, c’est l’écart maximal de la valeur du signal par rapport à zéro.
La célérité c est la vitesse de propagation de l’onde dans le milieu, en mètres par seconde (m/s). Dans l’air, elle vaut environ 343 m/s à 20 °C (les manuels scolaires utilisent souvent la valeur arrondie 340 m/s). Elle augmente avec la température.
La longueur d’onde λ est la distance parcourue par l’onde pendant une période, en mètres (m). Elle relie l’espace et le temps :

c = λ f

avec c en m/s, λ en m et f en Hz. Exemple : un son de 440 Hz dans l’air à 20 °C a une longueur d’onde λ = 343/440 ≈ 0,78 m.

La pression acoustique p est la petite variation de pression due à l’onde, mesurée en pascals (Pa). Elle est minuscule comparée à la pression atmosphérique (environ 101 325 Pa) : une conversation correspond à une pression acoustique efficace de l’ordre de 0,02 Pa.

1.3 Phénomène physique et perception auditive

Les grandeurs physiques décrivent l’onde ; la perception décrit ce que notre système auditif en fait. Les deux sont liés mais ne coïncident pas.

La fréquence est une grandeur physique mesurable ; la hauteur (grave ou aigu) est une sensation. Pour un son pur, hauteur perçue et fréquence varient dans le même sens, mais pour un son complexe la hauteur perçue correspond en général à la fréquence fondamentale, même quand celle-ci n’est pas la composante la plus intense - et parfois même quand elle est physiquement absente du signal (phénomène de la « fondamentale manquante »).
La pression acoustique est une grandeur physique (en pascals), dont le niveau de pression acoustique en décibels est une représentation logarithmique ; le volume perçu (la sonie) est la sensation associée, qui dépend aussi de la fréquence : à niveau égal, un son de 100 Hz paraît moins fort qu’un son de 1 000 Hz, l’oreille humaine étant moins sensible aux basses fréquences.
Le contenu spectral (la répartition de l’énergie entre les fréquences) détermine en grande partie le timbre, ce qui fait qu’un piano et une flûte jouant la même note ne se ressemblent pas.

L’audition n’est donc pas une simple lecture directe de la fréquence et de l’amplitude : c’est un traitement complexe, non linéaire et dépendant de la fréquence. Ce guide s’intéresse aux grandeurs physiques mesurables ; il signale, quand c’est utile, les écarts avec la perception.

Attention à la confusion. « Fréquence » et « volume » sont indépendants : on peut jouer un son très aigu très faiblement, ou un son très grave très fort. La fréquence se mesure en hertz, le niveau sonore en décibels.

Partie 2 - Comment un microphone transforme-t-il un son en données ?

2.1 Fonctionnement général

Un microphone convertit une onde de pression en signal électrique, puis l’électronique de l’appareil convertit ce signal en nombres. La chaîne complète comporte plusieurs étapes :

La membrane. Une fine membrane est mise en vibration par les variations de pression de l’air.
La transduction acoustique-électrique. Le mouvement de la membrane est converti en tension électrique. Dans les smartphones et ordinateurs, on utilise presque toujours des microphones MEMS (microsystèmes électromécaniques), miniaturisés, fonctionnant sur un principe capacitif : la membrane forme l’une des armatures d’un condensateur dont la capacité varie avec la vibration.
La préamplification. Le signal électrique, très faible, est amplifié.
La conversion analogique-numérique. Le signal continu est transformé en une suite de nombres par deux opérations : l’échantillonnage (le signal est mesuré à intervalles réguliers, par exemple 44 100 fois par seconde) et la quantification (chaque mesure est arrondie à l’une des valeurs numériques disponibles, par exemple 65 536 valeurs pour une quantification sur 16 bits).
Le stockage ou le traitement. La suite de nombres obtenue - le signal numérique - peut être enregistrée dans un fichier ou analysée en temps réel par un logiciel.

La fréquence d’échantillonnage limite les fréquences observables : d’après le théorème de Shannon-Nyquist, un signal échantillonné à la fréquence fₑ ne peut représenter correctement que des fréquences inférieures à fₑ/2. Avec un échantillonnage à 44 100 Hz, on peut donc analyser des sons jusqu’à environ 22 000 Hz, ce qui couvre tout le domaine audible.

2.2 Microphones des smartphones et des ordinateurs

Tous les microphones intégrés ne se valent pas, et leurs différences influencent les mesures.

Position. Sur un smartphone, le microphone principal est généralement situé sur la tranche inférieure ; le couvrir avec un doigt ou une coque fausse la mesure. Sur un ordinateur portable, il est souvent près du clavier ou de la webcam, parfois proche du ventilateur - une source de bruit parasite.
Directivité. Un microphone ne capte pas le son de la même façon dans toutes les directions ; l’orientation de l’appareil par rapport à la source modifie le signal reçu.
Sensibilité et réponse en fréquence. Les microphones intégrés sont optimisés pour la voix. Leur réponse n’est pas uniforme sur tout le spectre : les très basses fréquences (sous 100 Hz environ) et les très hautes fréquences sont souvent atténuées, dans des proportions qui varient d’un modèle à l’autre.
Bruit propre. Tout microphone produit un léger signal même dans le silence ; ce bruit de fond limite la mesure des sons très faibles.
Saturation. Au-delà d’un certain niveau, le signal est écrêté : les crêtes de l’onde sont coupées et la mesure n’a plus de sens.
Différences entre appareils. Deux smartphones de modèles différents, ou un smartphone et un ordinateur, donneront des mesures différentes pour le même son. Un microphone externe de qualité, branché sur un ordinateur, peut nettement améliorer la fidélité de l’acquisition.

2.3 Traitements automatiques

Les systèmes d’exploitation des smartphones et des ordinateurs appliquent parfois au signal du microphone des traitements conçus pour la téléphonie et la visioconférence : contrôle automatique de gain (l’amplification varie pour maintenir un niveau constant), réduction de bruit, filtrage des basses fréquences, compression, annulation d’écho, traitements d’amélioration de la voix.

Ces traitements sont utiles pour une conversation, mais ils peuvent fausser une expérience scientifique : un contrôle automatique de gain rend impossible la comparaison de deux amplitudes, une réduction de bruit peut effacer un son faible que l’on cherchait justement à mesurer. Leur présence et leur intensité dépendent du modèle d’appareil et du système d’exploitation, et l’application n’a pas toujours la possibilité de les désactiver. C’est une raison supplémentaire de privilégier les comparaisons relatives réalisées avec le même appareil dans les mêmes conditions.

2.4 Ce que le logiciel peut réellement afficher

Il faut distinguer soigneusement ce qui est mesuré de ce qui est calculé :

L’appareil mesure une suite d’échantillons numériques, image de la tension produite par le microphone.
L’amplitude affichée par un oscillogramme est une grandeur relative, exprimée dans l’unité interne du signal numérisé - ce n’est pas directement une pression en pascals.
Le niveau sonore en décibels est estimé à partir de l’énergie du signal numérique, en s’appuyant sur un étalonnage approximatif propre à l’appareil.
La fréquence dominante est calculée par un algorithme d’analyse (le microphone ne « mesure » pas une fréquence).
Le spectre et le spectrogramme sont calculés par transformée de Fourier sur des portions du signal.

À retenir. Le microphone ne fournit qu’une seule chose : un signal numérisé proportionnel à la pression acoustique. Fréquence, spectre, spectrogramme et niveau sonore sont des grandeurs calculées par le logiciel à partir de ce signal, chacune avec ses hypothèses et ses limites.

Partie 3 - Observer la forme temporelle du son

3.1 L’oscillogramme

L’oscillogramme représente l’évolution du signal sonore en fonction du temps : l’axe horizontal est le temps, l’axe vertical est l’amplitude du signal. C’est la représentation la plus directe du signal numérisé, celle qu’affichait historiquement un oscilloscope branché sur un microphone.

L’oscillogramme permet de distinguer au premier coup d’œil plusieurs familles de signaux :

un signal périodique présente un motif qui se répète à l’identique (note de musique tenue, voyelle chantée, son de synthétiseur) ;
un signal sinusoïdal - un « son pur » - est le cas le plus simple de signal périodique : une seule sinusoïde régulière ;
un signal apériodique ne présente aucun motif répétitif ;
un bruit est un signal apériodique d’apparence désordonnée (souffle, applaudissements, bruit blanc) ;
un transitoire est un événement bref et non répété (claquement, choc, attaque d’une note).

Dans FizziQ, l’oscillogramme est accessible sur smartphone avec l’instrument Amplitude (catégorie Microphone), qui affiche la forme d’onde en temps réel avec deux fenêtres d’observation commutables, et sur ordinateur dans le mode Amplitude de l’analyse audio de FizziQ Web, qui affiche la forme d’onde d’un enregistrement ou d’un fichier importé.

3.2 Mesurer une période

Mesurer une période sur un oscillogramme est l’une des mesures les plus formatrices en acoustique. La méthode :

Afficher un signal périodique (par exemple un diapason ou un son de la bibliothèque FizziQ) et zoomer jusqu’à voir quelques motifs complets.
Repérer deux points identiques de deux motifs successifs - par exemple deux maxima consécutifs, ou deux passages par zéro dans le même sens.
Mesurer la durée qui les sépare : c’est la période T.
Calculer la fréquence : f = 1/T.

Pour améliorer la précision, on mesure la durée Δ t de n périodes consécutives, puis on divise : T = Δ t / n. L’incertitude de pointage est ainsi répartie sur n périodes au lieu d’une seule. Exemple : si l’on mesure 22,7 ms pour 10 périodes, alors T = 2,27 ms et f ≈ 440 Hz ; une erreur de pointage de 0,2 ms ne représente plus que 0,02 ms sur la période, soit une erreur inférieure à 1 % sur la fréquence.

3.3 Observer les phénomènes temporels

L’oscillogramme révèle des structures que le spectre ne montre pas :

l’enveloppe du signal, c’est-à-dire l’évolution de son amplitude au cours du temps ;
l’attaque (montée rapide de l’amplitude au début d’une note) et la décroissance (extinction progressive), caractéristiques de chaque instrument ;
les battements : lorsque deux sons de fréquences proches f₁ et f₂ se superposent, l’amplitude totale oscille lentement à la fréquence f_bat = |f₁ - f₂|, ce qui se voit comme une enveloppe ondulante ;
les échos : répétitions atténuées et retardées d’un son bref ;
la réverbération : prolongement diffus d’un son dans une salle, visible comme une décroissance progressive après l’arrêt de la source ;
la saturation ou écrêtage : les sommets de la forme d’onde apparaissent « rabotés », aplatis à une valeur maximale - signe que le signal a dépassé la capacité du microphone ou du convertisseur et que la mesure n’est plus fiable.

Limites de la mesure. Un signal écrêté ne permet plus une analyse quantitative fiable de l’amplitude ou du contenu spectral : l’écrêtage crée des harmoniques artificiels et fait sous-estimer le niveau réel. Certaines informations temporelles, comme la période, peuvent néanmoins rester exploitables. Avant toute mesure, vérifier sur l’oscillogramme que les crêtes du signal restent nettement en dessous du maximum.

3.4 Choisir l’outil

Smartphone ou ordinateur ?

Avec FizziQ mobile (instrument Amplitude) : observer un son en direct au moment où il se produit, déplacer le microphone autour d’une source, comparer rapidement plusieurs lieux ou plusieurs sources, conduire une expérience en mobilité.

Avec FizziQ Web (mode Amplitude de l’analyse audio) : enregistrer un son avec le microphone de l’ordinateur ou importer un fichier audio (WAV, MP3, OGG, FLAC, M4A), se déplacer et zoomer dans le signal, mesurer précisément une durée ou une période à l’aide du curseur, visualiser l’enveloppe grâce à l’affichage min/max, puis ajouter l’analyse au cahier d’expériences pour le compte rendu.

Partie 4 - Mesurer la fréquence d’un son

4.1 Définition de la fréquence

La fréquence d’un son périodique est le nombre de répétitions du motif par seconde, exprimé en hertz (Hz). Elle est l’inverse de la période : f = 1/T. Plus la fréquence est élevée, plus le son est perçu comme aigu ; plus elle est basse, plus il est perçu comme grave.

Le domaine audible humain s’étend, en ordre de grandeur, de 20 Hz à 20 000 Hz. Cet intervalle est une convention commode, pas une frontière universelle : la limite supérieure diminue avec l’âge et varie d’une personne à l’autre, et la sensibilité de l’oreille n’est pas uniforme sur ce domaine.

4.2 Fréquence fondamentale et fréquence dominante

Ces deux notions sont souvent confondues, y compris dans des documents pédagogiques. Elles sont pourtant distinctes.

La fréquence fondamentale f₀ d’un son périodique est l’inverse de sa période : c’est la fréquence de répétition du motif complet. Elle correspond en général à la hauteur perçue.
Les harmoniques sont les composantes du signal dont les fréquences sont des multiples entiers de la fondamentale : 2f₀, 3f₀, etc. (On appelle partiels les composantes d’un son quelconque, qu’elles soient ou non multiples d’une fondamentale ; les sons de cloches ou de percussions ont des partiels inharmoniques.)
La fréquence dominante est la composante de plus grande amplitude dans le spectre à un instant donné. C’est elle qu’affiche un fréquencemètre simple.

La fréquence dominante n’est pas nécessairement la fondamentale. Exemple : pour une voix d’homme chantant une voyelle vers 110 Hz, la fondamentale est à 110 Hz, mais les harmoniques situés vers 300 à 800 Hz - renforcés par les résonances du conduit vocal - peuvent être plus intenses que la fondamentale elle-même. Un instrument qui affiche « la fréquence » affichera alors un harmonique, par exemple 330 Hz, alors que la hauteur perçue correspond à 110 Hz.

Attention à la confusion. L’instrument « Fréquence dominante » de FizziQ mobile affiche la composante la plus intense du spectre à l’instant de la mesure. Pour un son pur ou un son dont la fondamentale domine (diapason, flûte, sifflement), fréquence dominante et fondamentale coïncident. Pour une voix grave ou un instrument riche en harmoniques, elles peuvent différer : il faut alors examiner le spectre complet pour identifier la fondamentale.

4.3 Méthodes de mesure

Quatre méthodes complémentaires permettent de mesurer une fréquence, chacune avec ses limites :

Mesure de la période sur l’oscillogramme. Méthode la plus formatrice : elle donne la fréquence fondamentale (fréquence de répétition du motif), et sa précision dépend du soin du pointage. Elle exige un signal périodique et suffisamment stable.
Détection automatique. L’application calcule et affiche une fréquence en continu. Rapide et pratique, mais l’algorithme retourne la composante dominante, qui peut différer de la fondamentale (voir 4.2), et il devient instable sur les sons bruités ou les mélanges de sources.
Analyse spectrale. On lit sur le spectre les fréquences des différentes composantes. Cette méthode permet d’identifier la fondamentale même quand elle ne domine pas, mais sa précision est limitée par la résolution fréquentielle (voir Partie 5).
Comparaison avec un générateur. On ajuste la fréquence d’un son produit par le synthétiseur jusqu’à ce que les battements avec le son étudié disparaissent : la fréquence du générateur est alors égale à celle du son étudié. Méthode très précise pour des sons stables, à condition de disposer de deux appareils (l’un produit, l’autre compare).

4.4 Expériences proposées

Fréquence d’un diapason : vérifier que le diapason La₃ vibre à 440 Hz, par mesure de période et par lecture directe.
Fréquence d’une note chantée : chanter une voyelle tenue et comparer fréquence affichée, période mesurée et spectre.
Comparaison de notes musicales : mesurer les fréquences de deux notes à l’octave et vérifier le rapport 2, ou explorer les rapports de la gamme tempérée.
Fréquence d’une sirène : suivre l’évolution de la fréquence d’un son modulé (le spectrogramme est ici l’outil idéal, voir Partie 6).
Battements entre deux fréquences proches : produire 440 Hz et 442 Hz avec le synthétiseur et vérifier que la fréquence des battements vaut |f₁ - f₂| = 2 Hz.

Partie 5 - Comprendre le spectre sonore

5.1 Qu’est-ce qu’un spectre ?

Le spectre d’un son représente la répartition de l’amplitude (ou de l’énergie) du signal selon la fréquence, calculée sur une durée d’analyse déterminée. L’axe horizontal est la fréquence en hertz ; l’axe vertical est l’amplitude (ou le niveau) de chaque composante fréquentielle.

Il faut se méfier de la formulation « le spectre montre toutes les fréquences présentes dans le son » : un spectre est toujours le résultat d’un calcul effectué sur une portion de signal de durée finie, avec une méthode donnée (transformée de Fourier discrète), une résolution fréquentielle limitée et un seuil en dessous duquel les composantes se confondent avec le bruit. Deux réglages d’analyse différents produisent deux spectres d’aspect différent pour le même son.

5.2 Fondamentale, harmoniques et timbre

Le spectre d’un son périodique de fréquence fondamentale f₀ est composé de raies situées aux fréquences f₀, 2f₀, 3f₀, … : c’est la série harmonique. Les amplitudes relatives de ces harmoniques varient d’une source à l’autre, et cette répartition est l’un des principaux déterminants du timbre :

un son pur (diapason, synthétiseur en mode sinusoïdal) n’a qu’une seule raie, à f₀ ;
un son complexe harmonique (voix, corde, tuyau) a plusieurs raies aux multiples de f₀ - une clarinette privilégie les harmoniques impairs, un violon présente une série riche et étendue ;
un son inharmonique (cloche, timbale, barre métallique) a des partiels dont les fréquences ne sont pas des multiples entiers d’une fondamentale ;
un bruit a un spectre continu, étalé sur une large bande, sans raies distinctes.

5.3 Introduction à la transformée de Fourier

L’idée intuitive : tout signal, aussi compliqué soit-il, peut être décomposé en une somme de sinusoïdes de fréquences, d’amplitudes et de phases différentes. Le spectre est le résultat de cette décomposition : il indique « quelle quantité » de chaque sinusoïde il faut pour reconstruire le signal. C’est l’analyse mathématique qui correspond à ce que fait, en première approximation, l’oreille interne : séparer les composantes fréquentielles d’un son.

Pour aller plus loin. En pratique, le logiciel applique une transformée de Fourier discrète (calculée par l’algorithme FFT, Fast Fourier Transform) à une portion du signal numérisé - la fenêtre temporelle - contenant N échantillons prélevés à la fréquence d’échantillonnage fₑ. Le résultat est un spectre défini aux fréquences k · fₑ/N (k entier), c’est-à-dire avec un pas fréquentiel Δ f = fₑ/N = 1/T_fen, où T_fen est la durée de la fenêtre. La fréquence maximale analysable est fₑ/2 (théorème de Shannon-Nyquist). Le choix de la fenêtre détermine donc entièrement la finesse de l’analyse.

5.4 Limites de l’analyse spectrale

Résolution fréquentielle. Le pas du spectre vaut Δ f = 1/T_fen : une fenêtre de 0,1 s donne une résolution de 10 Hz ; il faut une fenêtre de 1 s pour distinguer deux composantes séparées de 1 Hz. Impossible, donc, de séparer 440 Hz et 442 Hz avec une fenêtre de 50 ms.
Compromis durée-résolution. Allonger la fenêtre affine la résolution fréquentielle mais moyenne le signal sur une durée plus longue : un son qui varie pendant la fenêtre (attaque, glissando) produit un spectre brouillé. C’est un compromis fondamental, qu’aucun réglage ne peut supprimer.
Fuite spectrale et fenêtrage. Découper brutalement une portion de signal crée des discontinuités artificielles aux bords, qui étalent l’énergie de chaque raie sur les fréquences voisines (« fuite spectrale »). Les logiciels atténuent cet effet en multipliant le signal par une fonction de pondération douce (fenêtre de Hann, par exemple), au prix d’un léger élargissement des raies.
Bruit et seuil de détection. Les composantes faibles se confondent avec le bruit de fond du microphone et de l’environnement : leur absence du spectre ne prouve pas leur absence du son.
Saturation. Un signal écrêté génère des harmoniques artificiels : le spectre affiché ne décrit plus le son d’origine.
Repliement spectral. Si le son contient des composantes au-delà de fₑ/2, elles réapparaissent à de fausses fréquences dans le spectre (aliasing). Les chaînes d’acquisition intègrent des filtres anti-repliement, mais la prudence reste de mise près de la limite.

5.5 Utilisation sur smartphone et ordinateur

L’analyse immédiate sur smartphone (instrument Spectrographe de FizziQ mobile, qui affiche le spectre en temps réel jusqu’à 5 000 Hz) suffit pour identifier une fondamentale et ses premiers harmoniques, comparer un son pur et un son complexe, ou observer le spectre d’une voyelle pendant qu’on la chante.

L’analyse détaillée sur ordinateur (mode Spectre de FizziQ Web) est préférable quand il faut examiner finement les raies, mesurer les fréquences avec le curseur, analyser une portion précise d’un enregistrement, ou exporter les données (fréquence, magnitude) vers le tableur pour un traitement quantitatif. L’import d’un fichier audio apporte en outre la reproductibilité : le même fichier peut être réanalysé par tous les élèves, ou comparé à un enregistrement réalisé en classe.

Partie 6 - Comprendre le spectrogramme

6.1 Définition

Le spectrogramme représente l’évolution du contenu fréquentiel d’un signal au cours du temps. Il est construit en calculant le spectre sur des fenêtres successives du signal et en juxtaposant les résultats :

axe horizontal : le temps ;
axe vertical : la fréquence ;
couleur (ou intensité graphique) : l’amplitude ou le niveau de chaque composante, selon la convention de l’outil. Dans FizziQ Web, le noir correspond au silence, le bleu à une faible intensité, le jaune à une intensité moyenne et le rouge à l’intensité maximale.

6.2 Différence entre oscillogramme, spectre et spectrogramme

Représentation	Axe horizontal	Axe vertical	Ce qu’elle montre
Oscillogramme	Temps	Amplitude	Forme temporelle du signal
Spectre	Fréquence	Amplitude ou niveau	Contenu fréquentiel d’un intervalle de temps
Spectrogramme	Temps	Fréquence (couleur = intensité)	Évolution du spectre dans le temps

Les trois représentations décrivent le même signal sous trois angles complémentaires : l’oscillogramme répond à « comment le signal varie-t-il ? », le spectre à « de quelles fréquences est-il composé ? », le spectrogramme à « comment sa composition évolue-t-elle ? ».

6.3 Lire un spectrogramme

Quelques signatures caractéristiques, faciles à reproduire en classe :

Son pur : une ligne horizontale unique, à la fréquence du son.
Note de musique : un empilement de lignes horizontales régulièrement espacées - la fondamentale et ses harmoniques.
Glissando ou sirène : une ou plusieurs lignes obliques ou ondulées, montrant la variation continue de la fréquence.
Parole : une structure riche alternant zones harmoniques (voyelles, avec leurs formants - bandes de fréquences renforcées) et zones bruitées (consonnes comme « s » ou « ch », taches diffuses en hautes fréquences).
Battements : une ligne dont l’intensité pulse au rythme des battements (les deux composantes étant trop proches pour être séparées par l’analyse).
Effet Doppler : une ligne dont la fréquence chute au moment du passage de la source devant le microphone.
Chant d’oiseau : des motifs fins, rapides et modulés, souvent entre 2 et 8 kHz - un excellent exercice de lecture.

6.4 Limites du spectrogramme

Le spectrogramme hérite de toutes les limites de l’analyse spectrale, avec une contrainte supplémentaire : le choix de la fenêtre fixe simultanément la résolution temporelle (fenêtre courte = événements brefs bien localisés) et la résolution fréquentielle (fenêtre longue = fréquences bien séparées) - on ne peut pas avoir finement les deux à la fois. S’y ajoutent l’échelle de couleurs (une même donnée paraît très différente selon le contraste choisi), le seuil de bruit (les composantes faibles disparaissent ou, au contraire, le fond se couvre de taches), et des interprétations trompeuses classiques : bandes verticales dues à un choc bref (qui excite toutes les fréquences), harmoniques artificiels dus à la saturation, ou lignes fantômes dues au repliement.

Expérience avec FizziQ. Dans FizziQ Web, charger le son « Sirène » de la bibliothèque, afficher le spectrogramme et suivre la ligne de fréquence qui monte et descend. Charger ensuite « Cloches de Risset » : le spectrogramme révèle le mécanisme de l’illusion d’une montée sans fin, invisible à l’oreille seule.

Partie 7 - Mesurer le niveau sonore et comprendre les décibels

7.1 Pression acoustique

L’air qui nous entoure exerce en permanence une pression d’environ 101 325 Pa (pression atmosphérique normale). Une onde sonore superpose à cette pression de très petites variations : la pression acoustique instantanée p(t), qui oscille autour de zéro.

Comme cette grandeur oscille, on la caractérise par sa valeur efficace p (ou valeur RMS, root mean square) : la racine carrée de la moyenne du carré de p(t) sur une durée d’observation. C’est cette valeur efficace qui intervient dans la définition du niveau sonore. Ordres de grandeur : environ 0,00002 Pa au seuil d’audition, 0,02 Pa pour une conversation, 20 Pa près du seuil de douleur - un facteur un million entre les extrêmes.

7.2 Niveau de pression acoustique

Le niveau de pression acoustique est défini par :

Lₚ = 20 log₁₀(p/p₀)

avec :

Lₚ : niveau de pression acoustique, en décibels (dB) ;
p : pression acoustique efficace du son mesuré, en pascals (Pa) ;
p₀ : pression acoustique de référence dans l’air, fixée par convention internationale à p₀ = 20 µPa (2 × 10⁻⁵ Pa), valeur voisine du seuil d’audition humain à 1 000 Hz.

Ainsi, un son de pression efficace p = p₀ a un niveau de 0 dB ; p = 0,02 Pa (conversation) donne Lₚ = 20 log₁₀(0,02/0,00002) = 20 log₁₀(1000) = 60 dB ; p = 20 Pa donne 120 dB.

7.3 Pourquoi utiliser une échelle logarithmique ?

Les pressions acoustiques rencontrées couramment s’étendent sur six ordres de grandeur (de 20 µPa à 20 Pa). Une échelle linéaire serait illisible : la conversation, à 0,02 Pa, serait écrasée contre zéro sur un axe gradué jusqu’à 20 Pa. L’échelle logarithmique ramène cette étendue à l’intervalle 0-120 dB, plus proche de la façon dont nous percevons les intensités.

Une conséquence essentielle : sur une échelle logarithmique, une multiplication de la grandeur physique se traduit par une addition de décibels. Multiplier la pression par 10 ajoute 20 dB ; multiplier la puissance par 10 ajoute 10 dB. Les décibels ne s’additionnent donc jamais comme des grandeurs ordinaires.

7.4 Variations de niveau

Trois repères à connaître, et à ne pas confondre :

Doubler la pression acoustique ajoute 20 log₁₀(2) ≈ 6 dB.
Doubler l’intensité ou la puissance acoustique ajoute 10 log₁₀(2) ≈ 3 dB.
Ajouter une seconde source identique n’augmente pas systématiquement le niveau d’exactement 3 dB au point de mesure. Le résultat « +3 dB » suppose que les deux sources sont incohérentes (leurs signaux ne sont pas corrélés, comme deux bruits indépendants) : alors leurs intensités s’ajoutent. Si les sources sont cohérentes (deux haut-parleurs émettant le même signal), ce sont les pressions instantanées qui s’ajoutent, et le résultat dépend de la phase : selon la position du point de mesure, le niveau peut monter jusqu’à +6 dB (interférence constructive) ou chuter fortement (interférence destructive).

En situation réelle interviennent aussi la distance aux sources, leur directivité, les réflexions sur les parois et la nature du champ acoustique (champ direct ou réverbéré) : autant de raisons pour lesquelles une mesure en classe s’écarte souvent de la valeur théorique.

Et surtout : deux sons de 60 dB ne font jamais 120 dB. Au mieux 66 dB (sources cohérentes en phase), typiquement environ 63 dB (sources indépendantes).

7.5 Addition de niveaux indépendants

Pour des sources indépendantes (incohérentes), on additionne les intensités, ce qui se traduit sur les niveaux par :

L_total = 10 log₁₀(10^(L₁/10) + 10^(L₂/10) + …)

Exemples chiffrés (à recalculer en classe, la calculatrice de FizziQ s’y prête) :

L₁ = L₂ = 60 dB : L_total = 10 log₁₀(2 × 10⁶) ≈ 63,0 dB.
L₁ = 60 dB et L₂ = 70 dB : L_total = 10 log₁₀(10⁶ + 10⁷) ≈ 70,4 dB - la source la plus forte domine presque totalement.
Quatre sources de 50 dB : L_total = 10 log₁₀(4 × 10⁵) = 50 + 10log₁₀(4) ≈ 56 dB.

Cette formule n’est pertinente que pour des sources incohérentes ; elle ne s’applique pas à deux haut-parleurs diffusant le même signal.

7.6 Pondérations et mesures moyennes

Quelques notions complémentaires, utiles pour interpréter les valeurs rencontrées dans les documents :

dB SPL : niveau de pression acoustique par rapport à la référence de 20 µPa, sans pondération fréquentielle.
Pondération A et dB(A) : les sonomètres appliquent souvent un filtre (la pondération A) qui atténue les basses et très hautes fréquences pour imiter la sensibilité de l’oreille ; le résultat s’exprime en dB(A). Un niveau en dB(A) et un niveau non pondéré ne sont pas directement comparables.
Mesure instantanée et niveau équivalent : un niveau qui fluctue peut être décrit par sa valeur instantanée ou par une moyenne énergétique sur une durée donnée (le niveau équivalent, noté Leq dans les documents d’acoustique). L’instrument « Niveau de bruit » de FizziQ mobile fournit une moyenne du niveau ambiant, tandis que le « Sonomètre » suit le niveau au cours du temps.

Les mesures réglementaires (bruit au travail, bruit de voisinage) impliquent des instruments de classe normalisée, des procédures et des normes spécifiques : elles sortent du cadre d’une mesure sur smartphone (voir Partie 8).

Partie 8 - Un smartphone ou un ordinateur peut-il remplacer un sonomètre ?

Réponse d’emblée : un smartphone ou un ordinateur peut être très utile pour l’enseignement, les comparaisons relatives et de nombreuses expériences d’acoustique. Il ne remplace toutefois pas automatiquement un sonomètre professionnel étalonné et conforme à une norme.

8.1 Usages adaptés

Comparaison relative de deux situations : le couloir est-il plus bruyant que la salle ? De combien de décibels la fermeture de la porte réduit-elle le niveau ?
Étude de l’évolution d’un niveau au cours du temps : montée du bruit pendant une récréation, décroissance d’une réverbération.
Expériences pédagogiques sur l’échelle des décibels, l’addition des sources, l’atténuation avec la distance.
Cartographie indicative du niveau sonore d’un lieu (cour, rue, cantine), à condition d’utiliser le même appareil partout.
Détection d’un changement : franchissement d’un seuil, apparition d’une source.
Comparaison entre matériaux ou distances : quel matériau atténue le mieux ? Comment le niveau décroît-il quand on double la distance ?

8.2 Limites

Les microphones diffèrent d’un modèle à l’autre (sensibilité, réponse en fréquence) : deux appareils donnent des valeurs différentes pour le même son.
L’étalonnage absolu est incertain : sans référence, le niveau affiché peut s’écarter de plusieurs décibels de la valeur vraie. FizziQ mobile propose d’ailleurs un réglage de calibration du sonomètre (décalage en dB) pour ajuster l’affichage sur une référence connue.
Les traitements automatiques du système (gain automatique, réduction de bruit) peuvent fausser les mesures (voir 2.3).
La saturation plafonne les mesures des sons forts ; la plage affichée par FizziQ mobile (0 à 110 dB) ne signifie pas que tout microphone restitue fidèlement l’ensemble de cette plage.
La réponse en fréquence limitée sous-estime les sons très graves ou très aigus.
Le bruit de fond de l’électronique masque les sons très faibles : les niveaux très bas affichés sont peu significatifs.
La coque, la main, la position du microphone modifient la mesure.
L’environnement (réflexions, vent sur le micro, position dans la pièce) influe fortement sur le résultat.
Les systèmes d’exploitation traitent différemment le flux audio : un même modèle sous deux versions d’OS peut donner des valeurs différentes.

8.3 Précautions

Pour des mesures exploitables : conserver le même appareil dans toute une série de mesures ; garder la même orientation du microphone vers la source ; respecter la même distance ; vérifier l’absence de saturation ; répéter les mesures (pour des valeurs proches, on peut les résumer par leur moyenne ou leur médiane ; pour un niveau moyen énergétique rigoureux, convertir d’abord les décibels en grandeurs linéaires ou utiliser un niveau équivalent Leq) ; noter le modèle d’appareil utilisé dans le compte rendu ; distinguer explicitement comparaison relative et valeur absolue ; étalonner l’application sur une référence lorsque c’est nécessaire et possible. Ces trois notions liées, à savoir mesure absolue, mesure relative et étalonnage du sonomètre, gagnent à être clairement séparées avant d’interpréter un niveau affiché en décibels.

8.4 Limites d’usage

Une mesure issue d’un smartphone ou d’un ordinateur non certifié ne doit pas être transformée en mesure réglementaire, en diagnostic médical, en expertise professionnelle, en conclusion sur la sécurité auditive d’une situation, ni en preuve juridique. Pour ces usages, seuls des sonomètres conformes aux normes en vigueur, étalonnés et utilisés selon les procédures prescrites, font référence.

Partie 9 - Produire des sons pour expérimenter

Étudier le son, c’est aussi en produire : disposer d’une source contrôlée et reproductible change la nature des expériences possibles.

9.1 Sons sinusoïdaux

Un générateur de sons sinusoïdaux (le synthétiseur de FizziQ, disponible sur mobile et sur FizziQ Web, couvre 20 Hz à 20 000 Hz) permet de contrôler : la fréquence de la sinusoïde, son amplitude (le volume du signal généré), sa phase (le décalage temporel entre plusieurs voies, réglable sur mobile) et sa durée. On dispose ainsi de « sons étalons » : un signal dont on connaît la fréquence avant de le mesurer.

9.2 Superposition de sons

Le synthétiseur de FizziQ mobile permet de superposer jusqu’à trois voies simultanées. La superposition de signaux illustre plusieurs phénomènes :

l’addition des signaux : à chaque instant, les pressions (et les signaux) s’ajoutent algébriquement ;
les battements : deux fréquences proches (440 et 442 Hz) produisent une amplitude qui pulse à 2 Hz ;
les accords : des fréquences en rapports simples (do-mi-sol) produisent un son perçu comme consonant ;
les interférences : deux haut-parleurs émettant le même signal créent, dans certaines conditions (sources cohérentes, géométrie contrôlée), des zones de renforcement et d’atténuation dans la pièce.

Il faut distinguer l’addition instantanée des pressions (toujours vraie, et qui dépend des phases) de l’addition énergétique des intensités (valable seulement pour des sources incohérentes) - c’est la distinction déjà rencontrée en 7.4 pour l’addition des niveaux.

9.3 Bruit blanc et autres signaux

Le bruit blanc idéal est un signal aléatoire dont la densité spectrale de puissance est constante par unité de fréquence ; un bruit blanc produit numériquement ou par un haut-parleur réel n’est blanc que sur une bande de fréquences limitée. C’est une source commode pour étudier l’addition de sources indépendantes ou la réponse d’un système. (La bibliothèque de sons FizziQ en propose.)
Le balayage en fréquence parcourt continûment une plage de fréquences : utile pour étudier la réponse d’un haut-parleur, rechercher les résonances d’un système ou observer les limites de la chaîne de mesure.
L’impulsion (claquement bref) excite toutes les fréquences en même temps : c’est la source utilisée pour mesurer un écho ou une réverbération.
Les sons complexes de la bibliothèque FizziQ (instruments, sirènes, sons Doppler, cloches de Risset) fournissent des signaux numériques de référence, reproductibles, pour l’analyse.

9.4 Limites des haut-parleurs

Le signal calculé par le synthétiseur est connu et contrôlé au niveau logiciel ; le son réellement émis ne l’est pas. Le minuscule haut-parleur d’un smartphone a une réponse en fréquence limitée : il restitue très mal les basses fréquences (typiquement en dessous de 200 à 300 Hz, selon les modèles, le niveau émis chute fortement). Il introduit de la distorsion (des harmoniques absents du signal d’origine), d’autant plus que le volume est élevé, et peut saturer. Enfin, deux smartphones ou ordinateurs différents, ou le même appareil à deux réglages de volume, produisent des sons différents pour le même signal numérique.

Attention à la confusion. Trois objets distincts : le signal numérique produit par le synthétiseur (parfaitement défini), le son réellement émis par le haut-parleur (filtré et distordu par celui-ci), et le son mesuré par le microphone (à nouveau filtré par la chaîne d’acquisition). Quand on génère 100 Hz et qu’on mesure autre chose, l’écart vient souvent du haut-parleur, pas du générateur.

9.5 Outils FizziQ

Fonctions de production sonore vérifiées dans l’écosystème FizziQ : le synthétiseur de fréquences (20 Hz à 20 000 Hz ; jusqu’à trois voies simultanées avec réglage de fréquence, volume et déphasage sur mobile ; plusieurs formes d’onde sur FizziQ Web : sinusoïdale, carrée, triangulaire, dent de scie) et la bibliothèque de sons (diapasons et notes, sons d’instruments, bruit blanc, sirènes, sons pour l’effet Doppler et l’effet Shepard, battements). La bibliothèque est accessible sur mobile comme source à écouter, et dans FizziQ Web comme source d’analyse directe.

Partie 10 - Smartphone ou ordinateur : quel outil choisir ?

Aucune des deux plateformes n’est meilleure en toute circonstance : le choix dépend de l’expérience visée, de la mobilité nécessaire, de la précision recherchée, du matériel disponible et de l’organisation de la classe. Le tableau suivant compare les fonctions vérifiées des deux outils.

Besoin	FizziQ mobile (smartphone/tablette)	FizziQ Web (ordinateur)
Mesure mobile, sur le terrain	Oui - c’est sa vocation	Possible, mais moins adapté aux mesures en déplacement
Acquisition et analyse en direct au micro	Oui	Oui (microphone de l’ordinateur)
Import d’un fichier audio	Non	Oui (WAV, MP3, OGG, FLAC, M4A)
Bibliothèque de sons	Oui (écoute)	Oui (écoute et analyse directe)
Oscillogramme	Oui, en temps réel (instrument Amplitude)	Oui, avec zoom, curseur, min/max
Niveau sonore (dB)	Oui (Sonomètre, Niveau de bruit)	Oui (mode Niveau sonore)
Fréquence	Oui (Fréquence dominante, 50-10 000 Hz)	Oui (mode Fréquence)
Spectre	Oui, temps réel (Spectrographe, 0-5 000 Hz)	Oui, avec curseur et export
Spectrogramme	Non	Oui
Production de sons (synthétiseur)	Oui (3 voies, déphasage)	Oui (plusieurs formes d’onde)
Effet Doppler en situation réelle	Oui (source ou micro en mouvement)	Analyse d’un enregistrement ou d’un son de la bibliothèque
Mesure simultanée en plusieurs lieux	Oui (plusieurs appareils)	Limité
Travail sur grand écran	Plus limité sur smartphone, confortable sur tablette	Oui
Rédaction du compte rendu	Cahier d’expériences, export PDF	Cahier + rapport final (PDF, Word), tableur, LaTeX
Chromebook / smartphones interdits	-	Oui, fonctionne dans le navigateur
Comparaison de plusieurs fichiers	Non	Oui (imports successifs, cahier)
Chronomètre acoustique (vitesse du son)	Oui	Non
Transfert et export de données	Export QR code, CSV, Python	Export CSV, Python, image ; QR code pour transmettre vers le mobile

En résumé : l’expérience se passe-t-elle là où est le phénomène (cour, rue, salle de musique) ? Le smartphone s’impose. L’expérience consiste-t-elle à analyser finement un signal, comparer des fichiers ou produire un document ? L’ordinateur s’impose. Beaucoup de séances gagnent à combiner les deux - c’est l’objet de la partie suivante.

Partie 11 - Parcours combinés smartphone et ordinateur

Les outils FizziQ partagent les mêmes formats de données (QR code, CSV, fichiers de cahier), ce qui permet de construire des séances où chaque appareil fait ce qu’il fait le mieux.

Parcours 1 - Mesurer sur smartphone, analyser sur ordinateur

Réaliser l’expérience avec le smartphone (mesure de niveau, de fréquence, chronomètre acoustique…) et enregistrer les observations dans le cahier FizziQ.
Si l’expérience produit un son à analyser, l’enregistrer par ailleurs en fichier audio avec l’application d’enregistrement du téléphone.
Transférer les données de mesure par QR code ou export CSV vers FizziQ Web, et importer le fichier audio dans l’analyse audio de FizziQ Web.
Examiner précisément le signal sur grand écran : zoom sur l’oscillogramme, spectre, spectrogramme.
Insérer tableaux, graphiques et captures dans le rapport final et l’exporter en PDF ou Word.

Parcours 2 - Préparer sur ordinateur, expérimenter sur smartphone

Analyser un son de référence dans FizziQ Web (par exemple le diapason 440 Hz de la bibliothèque) : oscillogramme, spectre.
Identifier les grandeurs pertinentes (période, fréquence, harmoniques).
Formuler une hypothèse (par exemple : « la corde de guitare accordée produira la même fondamentale »).
Réaliser l’expérience sur le terrain ou en classe avec FizziQ mobile.
Comparer le résultat expérimental à la référence et conclure.

Parcours 3 - Travailler sans smartphone

Utiliser un ordinateur ou un Chromebook (FizziQ Web fonctionne dans le navigateur, sans installation).
Enregistrer un son avec le microphone de l’ordinateur, ou charger un fichier audio, ou choisir un son de la bibliothèque.
Étudier l’oscillogramme, le spectre ou le spectrogramme.
Exporter les données vers le tableur intégré pour l’analyse quantitative.
Produire le compte rendu avec l’éditeur de rapport (export PDF ou Word).

Ce parcours répond directement aux situations où l’usage des smartphones est restreint dans l’établissement. Voir aussi Interdiction du smartphone au lycée : quelles alternatives.

Parcours 4 - Utiliser plusieurs smartphones

Utiliser un premier appareil comme source (synthétiseur ou bibliothèque de sons).
Utiliser éventuellement un deuxième appareil comme seconde source (battements, addition de sources) ou comme déclencheur.
Utiliser un troisième appareil comme instrument de mesure (sonomètre, fréquencemètre, chronomètre acoustique).
Contrôler les distances et les orientations des appareils, qui conditionnent directement les résultats.
Comparer les résultats des différents groupes ; le partage par QR code permet de rassembler les mesures sur un seul appareil.

C’est le montage type de la mesure de la vitesse du son (deux appareils en chronomètre acoustique séparés d’une distance connue) et de l’étude de l’addition de deux sources sonores.

Partie 12 - Douze expériences sur le son avec FizziQ

Les expériences sont classées par difficulté croissante. Chaque fiche renvoie, quand elle existe, à une ressource détaillée du site. Précaution générale : ne jamais faire écouter de sons forts au casque, et limiter le volume des synthétiseurs.

Expérience 1 - Observer la forme d’un son pur

Question scientifique : à quoi ressemble le signal d’un son pur ? - Niveau : collège. - Durée : 20 min. - Matériel : un ordinateur (ou un smartphone). - Outil recommandé : FizziQ Web. - Instrument : analyse audio, mode Amplitude, son « Diapason 440 Hz » de la bibliothèque. - Protocole résumé : charger le son, zoomer jusqu’à voir 10 à 20 oscillations, décrire la forme observée ; comparer avec un enregistrement de voix. - Grandeur observée : amplitude en fonction du temps. - Représentation : oscillogramme. - Résultat attendu : une sinusoïde régulière pour le diapason, un motif complexe pour la voix. - Précaution : volume modéré. - Source d’incertitude principale : aucune mesure quantitative ici ; l’enjeu est l’observation. - Ressource associée : « Peut-on voir un son ? ». - Activité FizziQ : Diapasons : fréquence du La.

Expérience 2 - Mesurer la période et la fréquence d’un signal

Question : comment déterminer la fréquence d’un son à partir de sa période ? - Niveau : collège / seconde. - Durée : 30 min. - Matériel : ordinateur. - Outil : FizziQ Web. - Instrument : mode Amplitude, curseur de mesure. - Protocole : afficher un son périodique, mesurer avec le curseur la durée de 10 périodes, calculer T puis f = 1/T ; comparer à la valeur affichée par le mode Fréquence. - Grandeur mesurée : durée, période, fréquence. - Représentation : oscillogramme. - Résultat attendu : pour le diapason de la bibliothèque, f ≈ 440 Hz. - Précaution : zoomer suffisamment pour pointer précisément. - Source d’incertitude : le pointage des extrémités de l’intervalle (d’où l’intérêt de mesurer plusieurs périodes). - Activité FizziQ : Gamme chromatique et fréquences.

Expérience 3 - Mesurer la fréquence d’un diapason

Question : le diapason vibre-t-il bien à 440 Hz ? - Niveau : collège / seconde. - Durée : 20 min. - Matériel : un diapason et sa caisse de résonance, un smartphone. - Outil : FizziQ mobile. - Instrument : Fréquence dominante, puis Amplitude. - Protocole : frapper le diapason, approcher le microphone, relever la fréquence affichée ; effectuer plusieurs captures et calculer la moyenne dans le cahier. - Grandeur : fréquence (Hz). - Représentation : valeur instantanée et tableau de mesures. - Résultat attendu : environ 440 Hz. - Précautions : frapper le diapason sur un support souple ; éviter les bruits parasites. - Incertitude principale : stabilité de la détection quand l’amplitude décroît. - Ressource associée : activité « Chloé et les diapasons » (tutoriel de première séance). - Activité FizziQ : Diapasons : fréquence du La.

Expérience 4 - Comparer les timbres de deux instruments

Question : pourquoi deux instruments jouant la même note ne se ressemblent-ils pas ? - Niveau : collège / seconde. - Durée : 45 min. - Matériel : deux instruments (ou les sons d’instruments de la bibliothèque FizziQ), un appareil d’analyse. - Outil : FizziQ Web (spectre confortable) ou FizziQ mobile (Spectrographe). - Protocole : jouer ou charger la même note sur deux instruments ; relever pour chacun les fréquences et amplitudes relatives des premières composantes du spectre ; comparer. - Grandeur : fréquences et amplitudes des harmoniques. - Représentation : spectre. - Résultat attendu : même fondamentale, répartitions d’harmoniques différentes. - Précaution : jouer les notes à niveau comparable, sans saturation. - Incertitude : résolution fréquentielle et variabilité du jeu instrumental. - Activité FizziQ : Timbre et harmoniques d’instrument et Sons harmoniques et inharmoniques.

Expérience 5 - Observer les harmoniques d’une voix

Question : de quoi est composé le spectre d’une voyelle chantée ? - Niveau : seconde / première. - Durée : 30 min. - Matériel : un appareil. - Outil : FizziQ mobile (temps réel) ou FizziQ Web (enregistrement puis analyse). - Instrument : Spectrographe / mode Spectre. - Protocole : chanter une voyelle tenue (« a », puis « i ») à hauteur constante ; identifier la fondamentale et les harmoniques ; observer comment le spectre change quand on change de voyelle sans changer de note. - Grandeur : fréquences des composantes. - Représentation : spectre (et spectrogramme sur FizziQ Web pour voir les formants). - Résultat attendu : raies aux multiples de la fondamentale ; zones renforcées différentes selon la voyelle. - Précaution : chanter à 20-30 cm du microphone. - Incertitude : instabilité de la hauteur chantée. - Activité FizziQ : Spectre des voyelles chantées et Spectrogramme du chant d’oiseau.

Expérience 6 - Produire et mesurer des battements

Question : que se passe-t-il quand on superpose deux fréquences proches ? - Niveau : première / terminale. - Durée : 45 min. - Matériel : un smartphone (synthétiseur 2 voies) ou deux appareils, plus un appareil de mesure. - Outil : synthétiseur FizziQ (mobile ou Web) + analyse. - Protocole : générer 440 Hz et 442 Hz simultanément ; écouter la pulsation ; enregistrer et observer l’enveloppe sur l’oscillogramme ; mesurer la période des battements et vérifier f_bat = |f₁ - f₂| = 2 Hz ; recommencer avec 445 Hz. - Grandeur : période de l’enveloppe. - Représentation : oscillogramme (l’affichage min/max de FizziQ Web rend l’enveloppe très lisible). - Résultat attendu : battements à 2 Hz puis 5 Hz. - Précaution : volumes égaux sur les deux voies. - Incertitude : justesse des fréquences réellement émises par le haut-parleur. - Ressource associée : article « Battements et oscillateurs basse fréquence ». - Activité FizziQ : Battements acoustiques 440/441 Hz.

Expérience 7 - Comparer un son pur et un bruit blanc

Question : qu’est-ce qui distingue un son pur d’un bruit ? - Niveau : seconde. - Durée : 30 min. - Matériel : un ordinateur. - Outil : FizziQ Web. - Protocole : charger successivement « Diapason 440 Hz » et « Bruit blanc » de la bibliothèque ; comparer les trois représentations : oscillogramme, spectre, spectrogramme. - Grandeur : allure du signal et du spectre. - Représentations : les trois. - Résultat attendu : sinusoïde / raie unique / ligne horizontale pour le son pur ; signal désordonné / spectre étalé / nappe colorée pour le bruit. - Précaution : mêmes réglages d’affichage pour les deux sons. - Incertitude : sans objet (observation qualitative). - Activité FizziQ : Bruit blanc : composition spectrale.

Expérience 8 - Étudier la résonance d’une colonne d’air

Question : pour quelles fréquences une colonne d’air résonne-t-elle ? - Niveau : première / terminale. - Durée : 1 h. - Matériel : un tube (éprouvette, tube PVC) éventuellement partiellement rempli d’eau, un smartphone source, un smartphone de mesure. - Outil : synthétiseur FizziQ + Sonomètre. - Protocole : placer la source près de l’ouverture, balayer lentement la fréquence, relever au sonomètre les fréquences pour lesquelles le niveau est maximal ; comparer aux fréquences de résonance attendues pour un tube fermé à une extrémité (fₙ = (2n-1)c/4L, en première approximation, sans correction d’extrémité). - Grandeurs : fréquence et niveau sonore. - Représentation : tableau niveau/fréquence, graphique dans le cahier. - Résultat attendu : maxima proches des fréquences calculées. - Précautions : volume modéré ; géométrie stable. - Incertitudes : longueur effective du tube (correction d’extrémité négligée), position des appareils. - Activité FizziQ : Colonnes d’air et hauteur du son et Résonance de Helmholtz : bouteille.

Expérience 9 - Mesurer la vitesse du son

Question : à quelle vitesse le son se propage-t-il dans l’air ? - Niveau : seconde à terminale. - Durée : 1 h. - Matériel : deux smartphones, un décamètre, une source de son bref (claquoir). - Outil : FizziQ mobile, chronomètre acoustique sur les deux appareils. - Protocole : placer les deux appareils à une distance d connue (au moins 10 à 20 m) ; un opérateur se place près de chaque appareil ; armer les deux chronomètres acoustiques ; un premier claquement, émis près du premier appareil, démarre les deux chronomètres ; un second claquement, émis près du second appareil, les arrête ; la différence entre les deux durées mesurées vaut alors 2d/c, d’où c = 2d/Δt ; répéter et moyenner. - Grandeurs : distance, durée. - Représentation : tableau de mesures. - Résultat attendu : environ 340 à 345 m/s selon la température. - Précautions : environnement calme ; régler la sensibilité et le temps mort des chronomètres. - Incertitude principale : la mesure du temps (quelques millisecondes sur quelques dizaines de millisecondes) - d’où l’intérêt d’une grande distance. - Ressource associée : « Sept expériences pour mesurer la vitesse du son dans l’air ». - Activité FizziQ : Vitesse du son : deux chronomètres et Vitesse du son : éprouvette.

Expérience 10 - Étudier l’effet Doppler

Question : pourquoi la fréquence perçue change-t-elle quand la source se déplace ? - Niveau : terminale. - Durée : 1 h. - Matériel : un smartphone source (synthétiseur, son stable vers 1 000 Hz), une ficelle solide ou un porteur en mouvement, un appareil d’analyse. - Outil : FizziQ mobile (source) + FizziQ Web (analyse du spectrogramme de l’enregistrement) ou sons Doppler de la bibliothèque. - Protocole : faire passer la source en mouvement devant le microphone en enregistrant ; afficher le spectrogramme ; mesurer la fréquence avant et après le passage ; en déduire la vitesse de la source à partir des formules de l’effet Doppler. - Grandeurs : fréquences perçues à l’approche et à l’éloignement. - Représentation : spectrogramme. - Résultat attendu : chute nette de la fréquence au passage ; vitesse cohérente avec le mouvement réel. - Précautions : fixer solidement le smartphone source ; dégager l’espace. - Incertitude : lecture des fréquences sur le spectrogramme (résolution). - Ressources associées : « Cinq expériences sur l’effet Doppler avec un smartphone » et « Cinq expériences à réaliser avec le spectrogramme de FizziQ Web ». - Activité FizziQ : Effet Doppler d’un véhicule et Effet Doppler : pendule sonore.

Expérience 11 - Étudier l’addition de deux sources sonores

Question : deux sources identiques ajoutent-elles 3 dB ? - Niveau : terminale. - Durée : 1 h. - Matériel : deux smartphones sources (bruit blanc), un appareil de mesure. - Outil : bibliothèque de sons FizziQ (bruit blanc) + Sonomètre. - Protocole : mesurer le niveau L₁ avec la première source seule, L₂ avec la seconde seule (ajuster pour L₁ = L₂), puis L_total avec les deux ; comparer à la valeur théorique L₁ + 3 dB ; recommencer avec deux sources émettant la même sinusoïde et constater que le résultat dépend de la position. - Grandeur : niveau sonore (dB). - Représentation : tableau comparatif. - Résultat attendu : environ +3 dB pour les bruits blancs indépendants ; résultat variable pour les sinusoïdes cohérentes. - Précautions : positions et distances rigoureusement constantes ; même appareil de mesure ; s’assurer que les deux bruits blancs sont indépendants (deux lectures distinctes et non synchronisées, faute de quoi la condition d’incohérence n’est pas remplie). - Incertitude : fluctuations du niveau, environnement réverbérant. - Ressource associée : « L’addition de deux sources sonores augmente-t-elle le niveau sonore de 3 décibels ? ». - Activité FizziQ : Addition de niveaux sonores (dB) et Interférences sonores destructives.

Expérience 12 - Cartographier le niveau sonore d’un lieu

Question : comment le bruit se répartit-il dans l’établissement ? - Niveau : collège à lycée (projet). - Durée : 2 h (mesures + exploitation). - Matériel : un ou plusieurs smartphones, un plan du lieu. - Outil : FizziQ mobile, instrument Niveau de bruit (moyenne). - Protocole : définir une grille de points de mesure ; en chaque point, mesurer le niveau moyen pendant une durée fixe (par exemple 30 s), avec le même appareil, à la même hauteur et dans la même orientation ; reporter les valeurs sur le plan ; commenter. - Grandeur : niveau sonore moyen (dB). - Représentation : tableau et carte annotée. - Résultat attendu : contrastes marqués entre zones calmes et bruyantes. - Précautions : mesures au même moment de la journée ; présenter les résultats comme indicatifs et relatifs, non comme des valeurs réglementaires. - Incertitude : variabilité temporelle du bruit (répéter les mesures). - Activité FizziQ : Niveau sonore et distance.

D’autres pistes prolongent cette liste : analyse de la parole au spectrogramme, écho et réverbération avec une impulsion, absorption comparée de matériaux, comparaison d’un enregistrement réel avec un fichier de référence de la bibliothèque, illusion de Shepard. Les activités complètes correspondantes sont disponibles dans le catalogue d’activités FizziQ et les articles du site.

Partie 13 - Erreurs et confusions fréquentes

Chaque entrée suit le même schéma : l’affirmation erronée, pourquoi elle est fausse ou incomplète, la formulation correcte.

« Le son et le signal, c’est pareil. » Faux : le son est une onde de pression dans l’air ; le signal est sa traduction électrique puis numérique, filtrée par le microphone et la chaîne d’acquisition. Formulation correcte : le signal numérisé est une représentation, imparfaite, de l’onde sonore.

« L’amplitude affichée, c’est le niveau sonore. » Incomplet : l’amplitude de l’oscillogramme est une grandeur relative sans unité physique directe ; le niveau sonore en dB est calculé à partir de la valeur efficace du signal et d’un étalonnage. Correct : l’amplitude décrit le signal numérique ; le niveau sonore en décibels est une estimation étalonnée de la pression acoustique efficace.

« Niveau sonore et intensité sonore, c’est la même chose. » Faux : l’intensité sonore est une puissance surfacique en W/m² ; le niveau sonore est son expression logarithmique en décibels. Correct : le niveau (en dB) est le logarithme du rapport entre l’intensité (ou le carré de la pression) et une valeur de référence.

« Plus un son est aigu, plus il est fort. » Faux : fréquence et amplitude sont indépendantes. Correct : la fréquence détermine la hauteur (grave/aigu), l’amplitude détermine le niveau (faible/fort).

« La fréquence affichée par l’application est la fréquence fondamentale. » Pas toujours : l’application affiche la fréquence dominante, la composante la plus intense, qui peut être un harmonique. Correct : pour identifier la fondamentale d’un son complexe, examiner le spectre et repérer l’espacement régulier des harmoniques.

« La fréquence, c’est la hauteur perçue. » Approximation : la hauteur est une sensation, généralement liée à la fondamentale, mais des phénomènes comme la fondamentale manquante montrent que la perception ne se réduit pas à une lecture de fréquence. Correct : la fréquence est une grandeur physique ; la hauteur est la sensation qui lui est le plus souvent associée.

« Le spectre et le spectrogramme, c’est pareil. » Faux : le spectre décrit un intervalle de temps unique (axe fréquence / amplitude) ; le spectrogramme montre l’évolution du spectre au cours du temps (axes temps / fréquence, intensité en couleur). Correct : le spectrogramme est une succession de spectres.

« Le spectre montre la forme de l’onde. » Faux : c’est l’oscillogramme qui montre la forme temporelle ; le spectre montre la composition fréquentielle. Correct : oscillogramme = temps, spectre = fréquence.

« Toute fréquence présente dans un son est un harmonique. » Faux : un harmonique est un multiple entier de la fondamentale ; les autres composantes sont des partiels (éventuellement inharmoniques) ou du bruit. Correct : harmonique = composante à n × f₀, n entier.

« Le bruit blanc, c’est n’importe quel bruit aléatoire. » Faux : le bruit blanc a une définition précise - énergie uniformément répartie en fréquence. D’autres bruits aléatoires (bruit rose, bruit de circulation) ont des répartitions différentes. Correct : le bruit blanc est un bruit aléatoire de densité spectrale uniforme.

« dB et dB(A), c’est équivalent. » Faux : le dB(A) applique une pondération fréquentielle qui atténue graves et extrêmes aigus ; les deux valeurs diffèrent, surtout pour les sons riches en basses fréquences. Correct : comparer uniquement des niveaux exprimés avec la même pondération.

« Doubler la pression ou doubler la puissance, c’est pareil : +3 dB. » Faux : doubler la pression ajoute environ 6 dB (le niveau dépend du carré de la pression) ; doubler la puissance ajoute environ 3 dB. Correct : +6 dB par doublement de pression, +3 dB par doublement de puissance.

« Pour additionner deux sons, on additionne leurs décibels. » Faux : les niveaux sont des logarithmes ; on additionne les intensités (sources incohérentes) ou les pressions instantanées (sources cohérentes), jamais les dB. Correct : 60 dB + 60 dB ≈ 63 dB pour des sources indépendantes.

« Mon smartphone est un sonomètre. » Abus de langage : une application affiche une estimation du niveau, sans les garanties métrologiques (classe d’exactitude, étalonnage, pondérations normalisées) d’un sonomètre conforme aux normes. Correct : un smartphone permet des mesures indicatives et comparatives ; un sonomètre certifié permet des mesures normalisées.

« Ma mesure de 62 dB est la valeur vraie. » Incomplet : sans étalonnage, la valeur absolue est incertaine de plusieurs dB. Correct : privilégier les écarts entre mesures faites dans les mêmes conditions avec le même appareil.

« Le son que j’ai généré à 100 Hz est le son émis dans la pièce. » Faux : le haut-parleur filtre et distord le signal, surtout dans les graves. Correct : le signal numérique généré et le son réellement rayonné diffèrent ; seule la mesure au microphone renseigne sur le son effectivement produit.

Partie 14 - Questions fréquentes

Comment mesurer le son avec un smartphone ? Le microphone du smartphone transforme le son en signal numérique, qu’une application comme FizziQ analyse : niveau sonore en décibels, fréquence, forme du signal, spectre. Il suffit d’installer l’application, d’autoriser l’accès au microphone et de choisir l’instrument voulu. Les mesures sont fiables pour des comparaisons ; la valeur absolue en décibels reste indicative (voir Partie 8).

Comment analyser un son sur un ordinateur ? Avec FizziQ Web, dans un simple navigateur, on peut enregistrer un son au microphone de l’ordinateur, importer un fichier audio (WAV, MP3, OGG, FLAC, M4A) ou choisir un son de la bibliothèque intégrée, puis l’examiner sous forme d’oscillogramme, de spectre ou de spectrogramme. Le curseur et le zoom permettent des mesures précises de durées et de fréquences (voir Parties 3 à 6).

Comment mesurer les décibels avec un téléphone ? Ouvrir un instrument de type sonomètre (dans FizziQ : catégorie Microphone, instrument Sonomètre), orienter le microphone vers la source sans le couvrir, et lire le niveau en dB. Pour des résultats exploitables, garder le même appareil, la même distance et la même orientation d’une mesure à l’autre (voir Parties 7 et 8).

Une application de sonomètre est-elle fiable ? Elle est fiable pour comparer des situations et suivre des évolutions, moins pour donner une valeur absolue : les microphones ne sont pas étalonnés et diffèrent d’un appareil à l’autre, avec des écarts qui peuvent atteindre plusieurs décibels. Une mesure réglementaire exige un sonomètre certifié (voir Partie 8).

Comment mesurer la fréquence d’un son ? Trois méthodes : lire la fréquence détectée automatiquement, mesurer la période sur l’oscillogramme et calculer f = 1/T, ou repérer les raies sur le spectre. La mesure de période est la plus formatrice ; le spectre est indispensable pour les sons complexes (voir Partie 4).

Quelle est la différence entre fréquence fondamentale et fréquence dominante ? La fondamentale est la fréquence de répétition du motif du signal, celle qui fixe la hauteur perçue ; la dominante est la composante la plus intense du spectre à un instant donné. Elles coïncident pour un son pur mais peuvent différer pour une voix ou un instrument riche en harmoniques (voir 4.2).

Comment voir le spectre d’un son ? Sur smartphone, l’instrument Spectrographe de FizziQ affiche le spectre en temps réel ; sur ordinateur, le mode Spectre de FizziQ Web l’affiche pour un enregistrement ou un fichier, avec curseur de mesure et export des données (voir Partie 5).

Quelle est la différence entre spectre et spectrogramme ? Le spectre est une photographie fréquentielle d’un intervalle de temps : amplitude en fonction de la fréquence. Le spectrogramme est un film : il montre comment ce spectre évolue au cours du temps, la couleur codant l’intensité (voir Partie 6).

À quoi sert un oscillogramme ? À observer la forme du signal au cours du temps : reconnaître un son pur, mesurer une période, voir une attaque, des battements, un écho ou une saturation. C’est la représentation de départ de toute analyse (voir Partie 3).

Pourquoi deux sources identiques ajoutent-elles environ 3 dB ? Parce que pour des sources indépendantes, ce sont les intensités qui s’ajoutent : deux fois plus d’intensité correspond à 10log₁₀(2) ≈ 3 dB de plus. Ce résultat suppose des sources incohérentes ; deux haut-parleurs diffusant le même signal peuvent donner de +6 dB à une forte atténuation selon la position (voir 7.4 et 7.5).

Pourquoi le résultat change-t-il selon le smartphone ? Chaque modèle a son microphone (sensibilité, réponse en fréquence, position) et ses traitements logiciels (gain automatique, réduction de bruit), et l’étalonnage d’usine n’est pas garanti. Les écarts entre appareils sont normaux ; ils rappellent de toujours comparer des mesures faites avec le même appareil (voir 2.2, 2.3 et 8.2).

Peut-on utiliser le microphone d’un ordinateur pour une expérience ? Oui : FizziQ Web permet d’enregistrer directement avec le microphone de l’ordinateur puis d’analyser le signal. La qualité du microphone intégré est variable ; un microphone externe améliore l’acquisition si l’on recherche de la finesse (voir 2.2 et Partie 3).

Peut-on importer un fichier audio pour l’analyser ? Oui, dans FizziQ Web, aux formats WAV, MP3, OGG, FLAC et M4A. C’est le moyen le plus reproductible de travailler : le même fichier peut être analysé par toute la classe et comparé à un enregistrement réel (voir 5.5).

Comment mesurer la vitesse du son ? La méthode la plus directe utilise deux smartphones en chronomètre acoustique, séparés d’une distance connue : un claquement déclenche successivement les deux chronomètres, et la vitesse s’obtient par c = d/t. On attend environ 340 à 345 m/s selon la température (voir Expérience 9).

Quelle application utiliser pour étudier l’acoustique ? FizziQ (gratuite, sans publicité ni compte) couvre la chaîne complète : mesure au microphone, production de sons, bibliothèque de sons de référence, analyse (oscillogramme, spectre, et spectrogramme sur FizziQ Web), cahier d’expériences et export du compte rendu.

Faut-il utiliser un smartphone ou un ordinateur ? Le smartphone pour capter et mesurer sur le terrain, en mobilité, en temps réel ; l’ordinateur pour analyser finement, importer des fichiers, comparer et rédiger. Les deux se combinent dans une même séance grâce aux échanges par QR code et CSV (voir Parties 10 et 11).

FizziQ Connect est-il nécessaire pour les expériences sur le son ? Non. Les expériences acoustiques de ce guide reposent sur les microphones des smartphones, tablettes et ordinateurs. FizziQ Connect est un boîtier destiné à connecter d’autres types de capteurs externes (température, CO₂, lumière, tension…) et intervient surtout dans les expériences environnementales ou multidisciplinaires.

Conclusion

Avec un smartphone ou un ordinateur, les grandeurs essentielles de l’acoustique deviennent directement accessibles : la période et la fréquence sur l’oscillogramme, la composition harmonique sur le spectre, l’évolution temps-fréquence sur le spectrogramme, le niveau sonore en décibels - avec, pour chacune, des limites qu’il faut connaître pour interpréter correctement les résultats.

Le smartphone et l’ordinateur ne s’opposent pas : le premier capte et mesure au plus près du phénomène, le second analyse, compare et documente. La mesure pédagogique qu’ils permettent - comparative, reproductible, discutée - n’est pas une mesure réglementaire, et c’est précisément ce qui en fait un excellent terrain d’apprentissage de la métrologie : incertitudes, étalonnage, conditions de validité.

Le meilleur point de départ est une expérience simple : afficher l’oscillogramme d’un diapason et mesurer sa période. De là, tout le reste se déploie - harmoniques, battements, Doppler, vitesse du son. L’écosystème FizziQ accompagne chaque étape, de la capture du son à l’interprétation et au compte rendu : l’application mobile pour mesurer et produire des sons, FizziQ Web pour analyser et rédiger, le catalogue d’activités et les articles du site pour prolonger chaque expérience.

Pour aller plus loin sur fizziq.org : les activités d’acoustique du catalogue, les articles consacrés au spectrogramme, à l’effet Doppler, à la vitesse du son, aux battements, à l’addition des sources sonores et au synthétiseur de fréquences, ainsi que les modes d’emploi de FizziQ et FizziQ Web sur fizziq.org/documentation.